JP2012069822A

JP2012069822A - 半導体不揮発性メモリ装置

Info

Publication number: JP2012069822A
Application number: JP2010214465A
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、前記フローティングゲート電極は第１導電型の導電体で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。
【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不揮発性で記憶することができる。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とができる。

このようにして、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、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導電型の半導体表面領域の表面に、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領域表面である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、前記フローティングゲート電極は第１導電型の導電体で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、前記ドレイン領域内の前記トンネル領域の表面には薄い不純物濃度の第２導電型の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、前記フローティングゲート電極の第１導電型の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１８ａｔｍｓ以上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、前記薄い不純物濃度の第２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１Ｅ１７ａｔｍｓ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、前記薄い不純物濃度の第２導電型の領域は、前記ドレイン領域によって、側面側、底面側とも全てを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電極が第１導電型で形成されているため、第２導電型のドレイン領域内のトンネル領域の表面が仕事関数差によって空乏化され、特にフローティングゲート電極からドレイン領域に電子を放出する際には、フローティングゲート電極とドレイン領域との電位差による効果も加わり、より空乏化が進む。これによっ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。

ドレイン領域内のトンネル領域の表面に薄い不純物濃度の第２導電型の領域が形成した場合には、空乏化はさらに進行しやすくなる。

フローティングゲート電極の第１導電型の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁸ａｔｍｓ以上としてフローティングゲート電極自身の空乏化の進行を防止しつつ、薄い不純物濃度の第２導電型の領域の不純物濃度を、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁷ａｔｍｓ以下としたため、ドレイン領域側への空乏化はより進行しやすくなる。

さらに、薄い不純物濃度の第２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第１の実施例を示す模式的断面図である。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第２の実施例を示す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第１の実施例を示す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、フローティングゲート電極５０１はＰ型のポリシリコンにより形成され、Ｐ型の不純物濃度は１立方センチメートル当たり１×１０¹⁸ａｔｍｓ以上の濃い不純物濃度にて形成している。

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８０１において、フローティングゲート電極５０１が濃いＰ型の不純物濃度を有するポリシリコンで形成されているため、ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１の表面がＰ型のフローティングゲート電極５０１とＮ型のドレイン領域２０２の仕事関数差によって空乏化され、特にフローティングゲート電極５０１からドレイン領域２０２に電子を放出する際には、フローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２との電位差による効果も加わり、より空乏化が進む。これによって実質的にトンネル絶縁膜４０１の厚さを増加する役目を果たし、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の表面部分を使用せず、実質的にドレイン領域２０２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。

このように、本発明の実施例によれば、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。

図２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第１の実施例を示す模式的断面図である。

図１に示した第１の実施例と異なる点は、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表面に薄い不純物濃度の第２導電型の領域として、薄い不純物濃度のＮ型領域９１１が形成されている点である。

図１に示した第１の実施例で説明した点に加え、第２の実施例では、薄い不純物濃度のＮ型領域９１１の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁷ａｔｍｓ以下としているため、ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１の表面にある薄い不純物濃度のＮ型領域９１１が、第１の実施例の場合に比べてさらに空乏化されやすい。通常のメモリの電気的書き換え時にかかる、ドレイン領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間の十数Ｖの電圧差によって十分空乏化されることができる。

さらに、薄い不純物濃度のＮ型領域９１１の周囲は、側面、底面とも高い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、より効果的にトンネル領域８０１に所望の電位を与えることができる。
その他の説明については、図１と同一の符号を付記することで説明に代える。

以上説明したように、図１、図２に示した本発明による実施例によれば、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。

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
９１１薄い不純物濃度のＮ型領域

Claims

第１導電型の半導体基板の表面領域に、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領域である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、前記フローティングゲート電極は第１導電型の導電体で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。
前記ドレイン領域内の前記トンネル領域の表面には薄い不純物濃度の第２導電型の領域が形成されている請求項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。
前記フローティングゲート電極の第１導電型の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１×１０¹⁸ａｔｍｓ以上である請求項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。
前記薄い不純物濃度の第２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以下である請求項２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。
前記薄い不純物濃度の第２導電型の領域は、前記ドレイン領域によって、側面側、底面側とも全てを囲まれている請求項２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。