JP2012074518A

JP2012074518A - 半導体不揮発性メモリ装置

Info

Publication number: JP2012074518A
Application number: JP2010217782A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Takasu; 博昭鷹巣
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-12

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提供する。
【解決手段】トンネル絶縁膜の上部であって、トンネル領域のエッジ部近傍の領域には、フローティングゲート電極とガード絶縁膜を介してドレイン電極と同電位に固定されたトンネル領域エッジ部ガード電極を配置した。
【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電極に対して約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、数十万回から数百万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方法が例えば、特許文献１において提案されている。

特開平１−１６００５８号公報

しかしながら、前記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。また、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のエッジへの配慮はなされていなかった。

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ゲート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には、トンネル絶縁膜が設けられており、前記トンネル絶縁膜の上部であって、前記トンネル領域のエッジ部近傍の領域には、前記フローティングゲート電極とガード絶縁膜を介して前記ドレイン電極と同電位に固定されたトンネル領域エッジ部ガード電極が配置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、前記トンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極とは、同一の材料により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、前記トンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極とは、ポリシリコンにより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、前記トンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極との間に配置された前記ガード絶縁膜の厚さは、前記ゲート絶縁膜の膜厚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。

さらに前記トンネル絶縁膜あるいは前記コントロール絶縁膜あるいは、前記ガード絶縁膜の少なくとも一つは、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜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。

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の欠陥の生じやすいエッジ部において、前記トンネル領域のエッジ部近傍の領域には、前記フローティングゲート電極とガード絶縁膜を介して前記ドレイン電極と同電位に固定されたトンネル領域エッジ部ガード電極が配置されており、データの書き換えや保持動作においてフローティングゲート電極とドレイン領域との間に高い電圧をかけた場合にも、トンネル領域のエッジ部近傍には、トンネル領域エッジ部ガード電極が配置されているため、トンネル領域のエッジ部ではフローティングゲート電極とドレイン領域との間に大きな電界が印加されずに済み、実質的なトンネル絶縁膜の厚さが増加したものと等価な構造になるため、最もストレスのかかるトンネル領域のエッジ部での電界集中を防止することができ、トンネル絶縁膜の信頼性を向上させ、より多くのデータ書き換え回数や、データ保持時間を達成することができる。

また、前記トンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極とは、ポリシリコンなどの一般的な半導体装置の製造に広く用いられる同一の材料により形成されているため、製造工程が容易である。またトンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極との間に形成されたガード絶縁膜の膜厚は、前記ゲート絶縁膜の膜厚以上としてあるため、ドレイン領域と同電位となるトンネル領域エッジ部ガード電極とフローティングゲート電極との間に最大印加電圧となる電圧が印加された場合にもトンネル絶縁膜やガード絶縁膜が破壊したり劣化したりすることなく良好な特性を保つことが出来る。

さらに、前記トンネル絶縁膜あるいは前記コントロール絶縁膜あるいはガード絶縁膜の少なくとも一つは、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性を向上させた。

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の欠陥の生じやすいエッジ部への電界集中を防止し、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ゲート電極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トンネル絶縁膜４０１が設けられている。

ここで、トンネル絶縁膜４０１の上部であって、トンネル領域８０１のエッジ部近傍の領域には、フローティングゲート電極５０１と接するシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなるガード絶縁膜３０２を介してポリシリコンなどからなるトンネル領域エッジ部ガード電極９４１が配置されている。トンネル領域エッジ部ガード電極９４１とドレイン領域２０２とは、図示しないが、同電位になるようにアルミニウムなどの導電体、あるいは他の配線材料などによって電気的に接続されている。そして、トンネル領域エッジ部ガード電極９４１とフローティングゲート電極５０１との間に配置されたガード絶縁膜３０２の膜厚は、ゲート絶縁膜３０１の厚さ以上になるように設定されている。

本発明による実施例によれば、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の欠陥の生じやすいエッジ部において、トンネル絶縁膜４０１の上部であって、トンネル領域８０１のエッジ部近傍の領域には、フローティングゲート電極５０１と接するシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなるガード絶縁膜３０２を介してポリシリコンなどからなるトンネル領域エッジ部ガード電極９４１が配置され、トンネル領域エッジ部ガード電極９４１とドレイン領域２０２とは、同電位になるようにアルミニウムなどの導電体、あるいは他の配線材料などによって電気的に接続されているため、データの書き換えや保持動作においてフローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２との間に高い電圧をかけた場合にも、トンネル領域８０１のエッジ部をガードするようにトンネル領域エッジ部ガード電極９４１が配置されているため、トンネル領域８０１のエッジ部では、フローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２との間には大きな電界が印加されずに済み、従来最もストレスのかかるトンネル領域８０１のエッジ部での電界集中を防止することができ、トンネル絶縁膜４０１の信頼性を向上させ、より多くのデータ書き換え回数や、データ保持時間を達成することができる。

また、トンネル領域エッジ部ガード電極９４１とフローティングゲート電極５０１とは、ポリシリコンなどの一般的な半導体装置の製造に広く用いられる同一の材料により形成されているため、製造工程が容易である。またトンネル領域エッジ部ガード電極９４１とフローティングゲート電極５０１との間に配置されたガード絶縁膜３０２の膜厚は、ゲート絶縁膜３０１の厚さ以上になるように設定されているため、ドレイン領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間の最大印加電圧となる電圧を印加した場合にもトンネル絶縁膜４０１やガード絶縁膜３０２が破壊したり劣化したりすることなく良好な特性を保つことが出来る。

さらに、トンネル絶縁膜４０１あるいはコントロール絶縁膜５０１、あるいはガード絶縁膜３０２の少なくとも一つは、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性をさらに向上させた。

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８０１の欠陥の生じやすいエッジ部への電界集中を防止し、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
３０２ガード絶縁膜
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
９４１トンネル領域エッジ部ガード電極

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ゲート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には、トンネル絶縁膜が設けられており、
前記トンネル絶縁膜の上部であって、前記トンネル領域のエッジ部近傍の領域には、前記ドレイン電極と同電位に固定されたトンネル領域エッジ部ガード電極が配置されており、
前記トンネル領域エッジ部ガード電極は周囲を取り囲むガード絶縁膜によって前記フローティングゲート電極とは絶縁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。
前記トンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極とは、同一の材料により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。
前記トンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極とは、ポリシリコンにより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。
前記トンネル領域エッジ部ガード電極と前記フローティングゲート電極との間に配置された前記ガード絶縁膜の厚さは、前記ゲート絶縁膜の膜厚以上である請求項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。
前記トンネル絶縁膜あるいは前記コントロール絶縁膜あるいは、前記ガード絶縁膜の少なくとも一つは、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜である請求項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。