JP2012069821A

JP2012069821A - 半導体不揮発性メモリ装置

Info

Publication number: JP2012069821A
Application number: JP2010214464A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Takasu; 博昭鷹巣
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】占有面積を増加することなくトンネル絶縁膜の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリにおいて、第２導電型のドレイン領域内のトンネル領域の表面には、薄い不純物濃度の第１導電型の領域を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に用いられる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置に関する。

電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリセル（以下ＥＥＰＲＯＭセルと略す）は、Ｐ型シリコン基板上にチャネル領域を介してＮ型ソース領域とＮ型ドレイン領域が配置され、Ｎ型ドレイン領域上の一部にトンネル領域を設け、約１００Åあるいはそれ以下の薄いシリコン酸化膜あるはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜などからなるトンネル絶縁膜を介してフローティングゲート電極が形成され、フローティングゲート電極上には薄い絶縁膜からなるコントロール絶縁膜を介してコントロールゲート電極が形成され、フローティングゲート電極はコントロールゲート電極と強く容量結合している。

フローティングゲート電極およびコントロールゲート電極は、チャネル領域上に延設されておりチャネル領域のコンダクタンスはフローティングゲート電極の電位によって変化する。

したがって、フローティングゲート電極中の電荷量を変えることにより情報を揮発させないで記憶させることができる。フローティングゲート電極中の電荷量を変えるには、トンネル領域を兼ねたドレイン領域にコントロールゲートに対して約１５ｖ以上の電位差を与えることにより、フローティングゲートの電子をトンネル領域のトンネル絶縁膜を介してドレイン領域に放出したり、逆にフローティングゲート電極に注入したりする。こうした動作により、フローティングゲートの電荷量を変化させて、不揮発性メモリとして機能させる。

このようなＥＥＰＲＯＭセルをマトリクス状に多数配置して、メモリアレイを形成し、大容量の不揮発性メモリ半導体装置を得ることができる。ここで、特に電子を通過させるトンネル絶縁膜を有するトンネル領域は重要で、数十万回に及ぶ多数回のメモリセル情報の書き換えを可能にすることや、メモリ情報の数十年にわたる長期保存（電荷の保持）の要求に対して支配的な役目を果たす。

トンネル領域およびトンネル絶縁膜の信頼性の改善策として、ドレイン領域と隣接して不純物濃度の異なるトンネル領域を設けて書き換え特性や保持特性を向上させる例も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１６００５８号公報

しかしながら、上述の改善例のようにドレイン領域と別に専用のトンネル領域を設ける半導体装置においては、占有面積が増大し半導体装置のコストアップに繋がるなどの問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は半導体装置を以下のように構成した。
第１導電型の半導体基板の表面に、互いに間隔を置いて設けられた第２導電型のソース領域とドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の表面近傍に設けられたチャネル形成領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域の上にゲート絶縁膜を介して設けられたフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極とコントロール絶縁膜を介して容量結合したコントロール電極とからなる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリにおいて、前記ドレイン領域内のトンネル領域と前記フローティングゲート電極領域との間には、トンネル絶縁膜が設けられており、前記ドレイン領域内のトンネル領域の表面には第１導電型の低濃度領域が形成されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。

また、前記低濃度領域と前記ドレイン領域とは、バッティングコンタクトにより電気的に接続されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。
また、前記低濃度領域と前記ドレイン領域とは、高融点金属とシリコンとの合金となるシリサイド領域により電気的に接続されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。

また、前記低濃度領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁷ａｔｍｓ以下である電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。
また、前記低濃度領域の側面および底面は、前記ドレイン領域により囲まれている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。

これらの手段によって、電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置における書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル領域において、フローティングゲートに電子を注入する際には、薄い不純物濃度の第１導電型の領域表面が空乏化して、実質的なトンネル絶縁膜の厚さを増加する役目を果たし、トンネル絶縁膜にかかる電界強度を緩和することができる。また、空乏化によって、欠陥などを生じやすい不安定なドレイン領域の表面部分を使用せず、実質的にドレイン領域表面から奥側入った領域をトンネル絶縁膜の界面にすることができる。

薄い不純物濃度の第１導電型の領域とドレイン領域とは、バッティングコンタクトにより電気的に接続され、同じ電位になるように固定されている。あるいは、薄い不純物濃度の第２導電型の領域とドレイン領域とは高融点金属とシリコンとの合金となるシリサイド領域により電気的に接続することも可能であり、その場合には、より占有面積の縮小が期待できる。

また、薄い不純物濃度の第１導電型の領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁷ａｔｍｓ以下としたので、通常のメモリの電気的書き換え時にドレイン領域とフローティングゲート電極との間にかかる十数Ｖの電圧差によって、十分な空乏化がなされることができる。

さらに、薄い不純物濃度の第１導電型の領域の周囲は、側面、底面とも高い不純物濃度領域からなるドレイン領域によって全てを囲まれているため、配線からトンネル領域に至る間のドレイン領域内での電位の低下、降下を抑えて、トンネル領域まで電位を一定に保つことができ、効果的にトンネル領域に所望の電位を与えることができる。

これらによって、書き換え時にトンネル絶縁膜に強い電界がかかることを防止でき、欠陥の多い表面領域を使用せず、占有面積を増加することなくトンネル絶縁膜の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。

本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の模式的断面図である。

本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の模式的断面図である。

第１導電型のＰ型の半導体基板１０１表面に、互いに間隔を置いて第２導電型のＮ型のソース領域２０１とドレイン領域２０２とが設けられ、ソース領域２０１とドレイン領域２０２との間のＰ型の半導体基板１０１表面であるチャネル形成領域と、ソース領域２０１とドレイン領域２０２とチャネル形成領域の上には、例えばシリコン酸化膜からなる厚さ４００Åのゲート絶縁膜３０１を介してポリシリコンなどからなるフローティングゲート電極５０１が設けられ、フローティングゲート電極５０１上には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなるコントロール絶縁膜６０１を介して容量結合したポリシリコンなどからなるコントロール電極７０１が形成されており、ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１とフローティングゲート電極５０１との間には、トンネル絶縁膜４０１が設けられており、トンネル絶縁膜４０１の膜厚は例えば８０Åに設定されている。

ここで、トンネル絶縁膜４０１の下部であり、ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１表面には薄い不純物濃度の第１導電型の低濃度領域として、薄い不純物濃度のＰ型領域９０１が形成されている。

また図示しないが、薄い不純物濃度のＰ型低濃度領域９０１とドレイン領域２０２とは、バッティングコンタクトにより電気的に接続され、同じ電位になるように固定されている。あるいは、薄い不純物濃度のＰ型低濃度領域９０１とドレイン領域２０２とを高融点金属とシリコンとの合金となるシリサイド領域により電気的に接続することも可能であり、その場合には、より占有面積の縮小が期待できる。

また、薄い不純物濃度のＰ型低濃度領域９０１の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁷ａｔｍｓ以下としたので、通常のメモリの電気的書き換え時にドレイン領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間にかかる十数Ｖの電圧差によって、十分な空乏化がなされる。

さらに、薄い不純物濃度のＰ型低濃度領域９０１の周囲は、側面、底面とも濃いＮ型の不純物濃度領域からなるドレイン領域２０２によって全てを囲まれているため、配線からトンネル領域８０１に至る間のドレイン領域２０２内での電位の低下、降下を抑えて、トンネル領域８０１まで電位を一定に保つことができ、効果的にトンネル領域８０１に電位を与えることができる。

フローティングゲート電極５０１に電子を注入してメモリ情報を書き換える際には、コントロールゲート電極７０１に、ドレイン領域２０２に対して、１５ｖ以上の高い電圧を与えるが、フローティングゲート電極５０１は、コントロール絶縁膜６０１を介してコントロール電極７０１と強く容量結合しているため、フローティングゲート電極５０１の電位は、コントロール電極７０１に近い電位となる。このため、トンネル絶縁膜４０１には大きな電界強度がかかる形となるが、本発明によれば、薄い不純物濃度の第２導電型の低濃度領域である、薄い不純物濃度のＰ型低濃度領域９０１の表面が空乏化して、実質的なトンネル絶縁膜４０１の厚さを増加する役目を果たすことができ、トンネル絶縁膜４０１にかかる電界強度を緩和することができる。また、空乏化によって、欠陥などを生じやすい不安定なドレイン領域２０２の表面部分を使用することなく、実質的にドレイン領域表面から奥側に入った領域をトンネル絶縁膜４０１の界面にすることができる。

このため、書き換え時にトンネル絶縁膜４０１に強い電界がかかることを防止でき、欠陥の多い表面領域を使用しないため、占有面積を増加することなくトンネル絶縁膜４０１の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。

１０１Ｐ型のシリコン基板
２０１Ｎ型ソース領域
２０２Ｎ型ドレイン領域
３０１ゲート絶縁膜
４０１トンネル絶縁膜
５０１フローティングゲート電極
６０１コントロール絶縁膜
７０１コントロールゲート電極
８０１トンネル領域
９０１薄い不純物濃度のＰ型低濃度領域

Claims

第１導電型の半導体基板の表面に、互いに間隔を置いて設けられた第２導電型のソース領域とドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の表面近傍に設けられたチャネル形成領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域の上にゲート絶縁膜を介して設けられたフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極とコントロール絶縁膜を介して容量結合したコントロール電極とからなる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリにおいて、前記ドレイン領域内のトンネル領域と前記フローティングゲート電極との間には、トンネル絶縁膜が設けられており、前記トンネル領域の表面には第１導電型の低濃度領域が形成されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
前記低濃度領域と前記ドレイン領域とは、バッティングコンタクトにより電気的に接続されている請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
前記低濃度領域と前記ドレイン領域とは、高融点金属とシリコンとの合金となるシリサイド領域により電気的に接続されている請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
前記低濃度領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁷ａｔｍｓ以下である請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
前記低濃度領域の側面および底面は、前記ドレイン領域により囲まれている請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。