JP2012134324A

JP2012134324A - 半導体不揮発性メモリ装置

Info

Publication number: JP2012134324A
Application number: JP2010285001A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Takasu; 博昭鷹巣
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-07-12

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】フローティングゲート電極は、高い不純物濃度領域と低い不純物濃度領域とからなり、高い不純物濃度領域は、コントロールゲート絶縁膜と接する部分に配置し、低い不純物濃度領域はトンネル絶縁膜と接する領域に配置し、フローティングゲート電極のコントロールゲート絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸を形成した。
【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ゲート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電極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電極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ある。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し、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からである。

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。また、書き換え特性や保持特性も未だ改善の余地が残されていた。

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ゲート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、高い不純物濃度領域と低い不純物濃度領域とからなり、前記高い不純物濃度領域は、前記フローティングゲート電極の上側表面、あるいは上側表面に加えて側面の前記コントロールゲート絶縁膜と接する部分に配置され、前記低い不純物濃度領域は、前記フローティングゲート電極の前記トンネル絶縁膜と接する領域に配置されており、前記フローティングゲート電極の前記コントロールゲート絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸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、前記高い不純物濃度領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１９ａｔｍｓ以上であり、前記低い不純物濃度領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１６ａｔｍｓ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、前記トンネル絶縁膜あるいは前記コントロールゲート絶縁膜の少なくとも一方は、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。

フローティングゲート電極は、高い不純物濃度領域と低い不純物濃度領域とからなり、高い不純物濃度領域は、フローティングゲート電極の上側表面、あるいは上側表面に加えて側面のコントロールゲート絶縁膜と接する部分に配置されるようにした。また、フローティングゲート電極のコントロールゲート絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸を形成して表面積を増大させたので、フローティングゲート電極とコントロールゲート電極との間の容量が大きく増加して容量結合が強固になり、コントロールゲート電極とトンネル絶縁膜を介したドレイン領域との間の容量との対比指標である、いわゆるカップリングレシオを大きくすることができる。

これによって、コントロールゲート電極に印加した電圧が効率よくフローティングゲート電極に伝達されるため、最終的に、トンネル絶縁膜を介したフローティングゲート電極とドレイン領域間の電位差を得ることが容易となることから、データの書き換え動作に必要なコントロールゲート電極への印加電圧を従来に比べてより小さくすることができる。また、カップリングレシオを確保するために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を大きく形成する必要もなくなるので、メモリセルの微細化に有効である。

また、フローティングゲート電極のコントロールゲート絶縁膜と接する部分は、高い不純物濃度領域で形成されており、高い不純物濃度領域の不純物濃度は１立方センチメートル当たり１Ｅ１９ａｔｍｓ以上の高い不純物濃度としてあるので、特に表面に微細凹凸を形成した場合の均一性の高いコントロールゲート絶縁膜の形成や、アスペリティの確保に有効である。

一方、フローティングゲート電極のトンネル絶縁膜と接する領域には、低い不純物濃度領域が配置されており、低い不純物濃度領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１６ａｔｍｓ以下としてあるので、データ書き換え動作において数百万回にも及ぶ電子の通過を行うトンネル絶縁膜へのフローティングゲート電極からの不純物の拡散を防止して、欠陥の少ない良質な膜質のトンネル絶縁膜を得ることができる。

これによって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、トンネル絶縁膜あるいはコントロールゲート絶縁膜の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、さらに信頼性を向上させている。

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データ書き換え時に、より低い電圧で効率よく書き換えができるようにし、また、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。

以下では図面を用いて実施例について説明する。

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の実勢例を示す模式的断面図である。
第１導電型のＰ型のシリコン基板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型のシリコン基板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の上面には微細凹凸５７１が形成され表面積を増大している。微細凹凸のピッチおよび高さは数百オングストロームから数千オングストローム程度が望ましい。さらに微細凹凸５７１に沿って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ゲート絶縁膜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とフローティングゲート電極５０１との間には、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が形成されている。

ここで、フローティングゲート電極５０１は、高い不純物濃度領域５８１と低い不純物濃度領域５９１とからなり、高い不純物濃度領域５８１は、フローティングゲート電極５０１の上側表面のコントロールゲート絶縁膜６０１と接する部分に配置され、低い不純物濃度領域５９１は、フローティングゲート電極５０１のトンネル絶縁膜４０１と接する領域に配置されており、フローティングゲート電極５０１のコントロールゲート絶縁膜６０１と接する表面部分には微細凹凸５７１が形成されている。

高い不純物濃度領域５８１の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１９ａｔｍｓ以上に設定してあり、低い不純物濃度領域５９１の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１６ａｔｍｓ以下に設定してある。

本発明による実施例によれば、フローティングゲート電極５０１は、高い不純物濃度領域５８１と低い不純物濃度領域５９１とからなり、高い不純物濃度領域５８１は、フローティングゲート電極５０１の上側表面のコントロールゲート絶縁膜６０１と接する部分に配置されるようにした。また、フローティングゲート電極５０１のコントロールゲート絶縁膜６０１と接する上面表面部分には数百オングストロームから数千オングストロームの高さとピッチを有する微細凹凸５７１を形成して表面積を増大させたので、フローティングゲート電極５０１とコントロールゲート電極７０１との間の容量が大きく増加して容量結合が強固になり、コントロールゲート電極７０１とトンネル絶縁膜４０１を介したドレイン領域２０２との間の容量との対比指標である、いわゆるカップリングレシオを大きくすることができる。

これによって、コントロールゲート電極７０１に印加した電圧が効率よくフローティングゲート電極５０１に伝達されるため、最終的に、トンネル絶縁膜４０１を介したフローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２間の電位差を得ることが容易となることから、データの書き換え動作に必要なコントロールゲート電極７０１への印加電圧を従来に比べてより小さくすることができる。また、カップリングレシオを確保するためにフローティングゲート電極５０１およびコントロールゲート電極７０１を大きく形成する必要もなくなり、メモリセル全体を微細化することが可能になる。

また、フローティングゲート電極５０１の上面のコントロールゲート絶縁膜６０１と接する部分には、高い不純物濃度領域５８１が形成されており、高い不純物濃度領域５８１の不純物濃度は１立方センチメートル当たり１Ｅ１９ａｔｍｓ以上の高い不純物濃度としてあるので、特にフローティングゲート電極５０１の上面表面に微細凹凸５７１を形成した場合にも膜厚や膜質の均一性の高い良好なコントロールゲート絶縁膜６０１を形成することが可能となり、アスペリティの確保に有効である。

一方、フローティングゲート電極５０１のトンネル絶縁膜４０１と接する領域には、低い不純物濃度領域５９１が配置されており、低い不純物濃度領域５９１の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１６ａｔｍｓ以下としてあるので、データ書き換え動作において数百万回にも及ぶ電子の通過を行うトンネル絶縁膜４０１へのフローティングゲート電極５０１からの不純物の拡散を防止して、欠陥の少ない信頼性の高い良質な膜質のトンネル絶縁膜４０１を得ることができる。

これによってトンネル絶縁膜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、トンネル絶縁膜４０１あるいはコントロールゲート絶縁膜６０１の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、さらに信頼性を向上させている。

図１に示した本発明による第１の実施例では、低い不純物濃度領域５９１は、トンネル領域８０１よりも大きな領域になるように図示しているが、実際には、トンネル領域８０１のフローティングゲート電極５０１のトンネル絶縁膜４０１と接する部分に、高い不純物濃度領域５８１からトンネル絶縁膜４０１への不純物の拡散を防止できる幅をもって配置されていれば良い。

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２の実勢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、フローティングゲート電極５０１内の高い不純物濃度領域５８１は、フローティングゲート電極５０１の上側表面に加えて側面のコントロールゲート絶縁膜６０１と接する部分にも配置され、伴って、微細凹凸５７１もフローティングゲート電極５０１の上側表面に加えて側面にも形成されている点である。

図２に示した第２の実施例においては、フローティングゲート電極５０１の側面にも微細凹凸５７１を形成し、コントロールゲート絶縁膜６０１を介してコントロールゲート電極７０１との間で容量を形成しているため、第１の実施例に比べて、フローティングゲート電極５０１とコントロールゲート電極７０１との容量がさらに大きくなり、カップリングレシオをさらに増大することができる。

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。

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データ書き換え時に、より低い電圧で効率よく書き換えができるようにし、また、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
２０１ソース領域
２０２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
５７１フローティングゲート電極表面の微細凹凸
５８１高い不純物濃度の領域
５９１低い不純物濃度の領域
６０１コントロールゲート絶縁膜
７０１コントロールゲート電極
８０１トンネル領域

Claims

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ゲート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、高い不純物濃度領域と低い不純物濃度領域とからなり、前記高い不純物濃度領域は、前記フローティングゲート電極の上側表面の前記コントロールゲート絶縁膜と接する部分に配置され、前記低い不純物濃度領域は、前記フローティングゲート電極の前記トンネル絶縁膜と接する領域に配置されており、前記フローティングゲート電極の前記コントロールゲート絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸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。
前記高い不純物濃度領域は、さらに、前記フローティングゲート電極の側面の前記コントロールゲート絶縁膜と接する部分に配置されている請求項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。
前記高い不純物濃度領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１９ａｔｍｓ以上であり、前記低い不純物濃度領域の不純物濃度は、１立方センチメートル当たり１Ｅ１６ａｔｍｓ以下である請求項１または２に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ゲート絶縁膜の少なくとも一方は、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または２に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。