JP2830447B2 - 半導体不揮発性記憶装置 - Google Patents

半導体不揮発性記憶装置

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    • HELECTRICITY
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    • H01L27/10Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having at least one potential-jump barrier or surface barrier; including integrated passive circuit elements with at least one potential-jump barrier or surface barrier the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体不揮発性記憶装置に利用する。
本発明は、特に、記憶情報の電気的な消去が可能な半
導体不揮発性記憶装置に利用する。
〔概要〕 本発明は、半導体基板上に形成されたメモリトランジ
スタを備えた半導体不揮発性記憶装置において、 メモリトランジスタの上面に設けられ、メモリトラン
ジスタと直列に接続された薄膜トランジスタからなる選
択トランジスタを設けることにより、 メモリセルの微細化を図ったものである。
〔従来の技術〕
記憶情報の電気的な消去可能な半導体不揮発性記憶装
置の代表的なものに、Flotox(Floating−gate tunnel
oxide)型メモリセルがある。このFl−otox型メモリセ
ルは第3図に示す構造を有している。
半導体基板1上に浮遊ゲート10を有するメモリトラン
ジスタ17と、選択トランジスタ19とが形成され、ノード
領域18でメモリトランジスタ17のドレイン拡散層4と選
択トランジスタ19のソース拡散層20とが接続されてい
る。
メモリセルの消去動作は以下のようにして行う。選択
トランジスタ19の選択ゲート12を高電位例えば20Vに
し、メモリトランジスタ17の制御ゲート11を高電位例え
ば20Vにし、メモリトランジスタ17のソース拡散層3、
選択トランジスタ19のドレイン拡散層21、および半導体
基板1を接地することで、メモリトランジスタ17のドレ
イン拡散層4よりトンネル領域5のトンネル絶縁膜7を
介して浮遊ゲート10に電子をファウエル−ノルドハイム
(Fowler−Nordheim)トンネリングにより注入する。
また、メモリセルの書き込み動作は次のように行う。
選択トランジスタ19のドレイン拡散層21を高電位例えば
20Vにし、選択ゲート12に例えば5Vを印加し、選択トラ
ンジスタ19をオン状態とする。次に、メモリトランジス
タ17の制御ゲート11を接地し、ソース拡散層3は浮遊電
位状態にすることで、メモリトランジスタ17のドレイン
拡散層4に20V近い高電位が印加され、浮遊ゲート10よ
りトンネル領域5のトンネル絶縁膜7を対してファウエ
ル−ノルドハイムトンネリングにより電子が放出され
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
ここで、従来のFlotox型メモリセルの選択トランジス
タ19のドレイン拡散層21には書き込み動作時に、高電圧
が印加されるためドレイン拡散層21を深く形成する等の
高耐圧構造にする必要がある。このため、選択ゲート12
を短チャネル化することは非常に困難であり、メモリセ
ルの微細化にとって大きな課題となっている。
本発明の目的は、前記の課題を解消することにより、
選択ゲートの短チャネル化を図り、より微細化された半
導体不揮発性記憶装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、半導体基板上に形成されたメモリトランジ
スタを備えた半導体不揮発性記憶装置において、前記メ
モリトランジスタの上部に設けられ、前記メモリトラン
ジスタと直列に接続された薄膜トランジスタから構成さ
れた選択トランジスタを備え、前記メモリトランジスタ
の制御ゲートと前記選択トランジスタの選択ゲートとが
共用の構成であることを特徴とする。
〔作用〕
選択トランジスタを、メモリトランジスタ上面に絶縁
膜を介して形成された、例えば多結晶シリコン薄膜を用
いて形成した薄膜トランジスタとする。そして、選択ト
ランジスタのソース拡散層はメモリトランジスタのドレ
イン拡散層に接して設けられ両トランジスタは直列に接
続される。
従って、メモリセルの大きさは、メモリトランジスタ
の大きさだけとなり、メモリセルの微細化を図ることが
できる。
なお、メモリトランジスタとしては、電気的に書き込
み消去が可能な型であればよく、例えば、浮遊ゲート
型、または多層ゲート絶縁膜型を用いることができる。
また、選択トランジスタの選択ゲートは別に設けずにメ
モリトランジスタの制御ゲートと共用してもよい。さら
に薄膜トランジスタは、例えば、多結晶シリコン薄膜を
用いて形成される。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
第1図は、本発明の第一実施例を示す模式的断面図で
ある。
本第一実施例は、半導体基板1上に浮遊ゲート10を有
するメモリトランジスタ17が形成され、このメモリトラ
ンジスタ17上部の層間絶縁膜16を介して、多結晶シリコ
ン薄膜13に選択トランジスタ19が形成され、メモリトラ
ンジスタ17のドレイン拡散層4と選択トランジスタ19の
ソース拡散層14とがノード領域18で接続されている。
ここで、選択トランジスタ19を構成する多結晶シリコ
ン薄膜13の膜厚は、約1000Åとし、また、選択トランジ
スタ19のドレイ拡散層15の不純物濃度を約1018〜1019cm
-3程度にすることで、ドレイン拡散層15の耐圧を20V以
上にすることが可能である。
なお、第1図において、2は素子分離絶縁膜、3はメ
モリトランジスタ17のソース拡散層、5はトンネル領
域、6は第一ゲート絶縁膜、7はトンネル絶縁膜、8は
第二ゲート絶縁膜、9は第三ゲート絶縁膜、11は制御ゲ
ート、12は選択ゲート、および15は選択トランジスタ19
のドレイン拡散層である。
本発明の特徴は、第1図において、選択トランジスタ
19を、メモリトランジスタ17上に、薄膜トランジスタの
形で形成したことにある。
次に、本第一実施例の動作について説明する。
メモリセルの消去・書き込み動作は、前述のFlotox型
メモリセルと同様にして行う。
すなわち、メモリトランジスタ17が、トンネル領域5
を通じて、ファウエル−ノルドハイムトンネリングによ
り電子を浮遊ゲート10に注入して消去して行い、ファウ
エル−ノルドハイムトンネリングにより電子を浮遊ゲー
ト10から放出して書き込むを行う。
これまでは、Flotox型のメモリセルを例に上げて説明
してきたが、本発明はメモリトランジスタが他の型のメ
モリセルに関しても適応できる。
次に、異なる型のメモリトランジスタとして、浮遊ゲ
ートを有するが、書き込み動作は浮遊ゲートに電子をチ
ャネルホットエレクトロン注入することで行い、消去動
作はメモリトランジスタのソース拡散層に高電圧を印加
して、浮遊ゲートから電子をソース拡散層にゲート酸化
膜を介してファウエル−ノルドハイムトンネリングによ
り放出して行う型のものを例に上げ、本発明の第二実施
例として説明する。
第2図は本発明の第二実施例を示す模式的断面図であ
る。
本第二実施例において、メモリトランジスタ17は、半
導体基板1上に、第一ゲート絶縁膜6、浮遊ゲート10、
第二ゲート絶縁膜8、および制御ゲート11が順次積層し
て形成され、前記浮遊ゲート10を間にはさんで半導体基
板1表面にソース拡散層3およびドレイン拡散層4が形
成されてメモリトランジスタ17が構成される。
また、メモリトランジスタ17の制御ゲート11の上面が
露出するように層間絶縁膜16が形成され、制御ゲート11
の上表面を含んで覆うように形成された第三ゲート絶縁
膜9を介して多結晶シリコン薄膜13が形成され、多結晶
シリコン薄膜13に、制御ゲート11を間にはさんでソース
拡散層14およびドレイン拡散層15が形成されて選択トラ
ンジスタ19が構成される。
この構造では、メモリトランジスタ17の制御ゲート11
が選択トランジスタ19の選択ゲートの役割も兼ねてい
る。
本発明の特徴は、第1図において、メモリトランジス
タ17上に、メモリトランジスタの制御ゲートと選択ゲー
トを兼ねるように、薄膜トランジスタからなる選択トラ
ンジスタ19を設けたことにある。
次に、本第二実施例の動作について説明する。
メモリセルの書き込み動作は次のようにして行う。メ
モリトランジスタ17の制御ゲート11をメモリトランジス
タ17および選択トランジスタ19が「オン」するように高
電位例えば15Vにし、メモリトランジスタ17のソース拡
散層3を接地し、選択トランジスタ19のドレイン拡散層
15は高電位例えば10Vにすることで、メモリトランジス
タ17に飽和領域の動作をさせ、この際に生じるチャネル
ホットエレクトロンを浮遊ゲート10に注入する。この書
き込み動作によりメモリトランジスタ17のしいき値電圧
は高く例えば8Vになるように設定する。
メモリセルの消去動作は次のようにして行う。メモリ
トランジスタ17の制御ゲート11を接地し、メモリトラン
ジスタ17のドレイン拡散層4を浮遊電位状態にして、メ
モリトランジスタ17のソース拡散層3に高電圧、例えば
15V程度を印加して、メモリトランジスタの浮遊ゲート1
0から電子をファウエル−ノルドハイムトンネリングに
より第一ゲート絶縁膜6を介して放出する。この消去動
作によりメモリトランジスタ17のしきい値電圧は低く例
えば3V以下になるように設定する。
また、記憶されたデータの読み出し動作は以下のよう
になる。メモリトランジスタ17の制御ゲート11に例えば
5V印加し、メモリトランジスタ17のソース拡散層3を接
地し、選択トランジスタ19のドレイン拡散層15に1V程度
の電圧を印加して電流が流れるか否かにより、メモリト
ランジスタ17の書き込み状態を判定する。
ところで、本第二実施例で記したような浮遊ゲートに
チャネルホットエレクトロン注入することで書き込み、
浮遊ゲートからファウエル−ノルドハイムトンネリング
により電子を放出して消去するタイプのメモリトランジ
スタは、次の条件を満たすならば、選択トランジスタが
なくても動作できる。
その条件とは、消去後のメモリトランジスタのしきい
値電圧が絶対値の低いエンハンスメント型に設定できる
ことである。
しかし現実には、ファウエル−ノルドハイムトンネリ
ングにより浮遊ゲートより電子を放出する際には、同時
に正孔が浮遊ゲートに注入され、消去動作後には、メモ
リトランジスタはディプリーション型になってしまう。
そのため、読み出し動作の際にメモリセルが選択できな
いという問題が生じる。
このため、このタイプのメモリトランジスタにも選択
トランジスタを直列に接続するのが現実的である。ここ
で、本発明の第二実施例で記したように、選択トランジ
スタをメモリトランジスタの上部に形成することで、選
択トランジスタがない場合と同等のメモリセル寸法を実
現できる。
以上、本発明の第一実施例および第二実施例について
の説明においては、選択トランジスタは、多結晶シリコ
ン薄膜に形成された薄膜トランジスタであるとしてきた
が、無論、単結品化されたシリコン薄膜トランジスタで
あっても、また、他のタイプの半導体薄膜トランジスタ
であってもよいことはいうまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明は、メモリトランジスタ
に直列に接続される選択トランジスタを、多結晶シリコ
ンと薄膜による薄膜トランジスタで前記メモリトランジ
スタの上部に形成することで、メモリセルが1トランジ
スタ分の面積で実現でき、メモリセルの微細化を図るこ
とができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第一実施例を示す模式的断面図。 第2図は本発明の第二実施例を示す模式的断面図。 第3図は従来例を示す模式的断面図。 1……半導体基板、2……素子分離絶縁膜、3、14、20
……ソース拡散層、4、15、21……ドレイン拡散層、5
……トンネル領域、6……第一ゲート絶縁膜、7……ト
ンネル絶縁膜、8……第二ゲート絶縁膜、9……第三ゲ
ート絶縁膜、10……浮遊ゲート、11……制御ゲート、12
……選択ゲート、13……多結晶シリコン薄膜、16……層
間絶縁膜、17……メモリトランジスタ、18……ノード領
域、19……選択トランジスタ。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/788 H01L 29/792 H01L 27/115 H01L 21/8247 H01L 29/786

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に形成されたメモリトランジ
    スタを備えた半導体不揮発性記憶装置において、 前記メモリトランジスタの上部に設けられ、前記メモリ
    トランジスタと直列に接続された薄膜トランジスタから
    構成された選択トランジスタを備え、 前記メモリトランジスタの制御ゲートと前記選択トラン
    ジスタの選択ゲートとが共用の構成である ことを特徴とする半導体不揮発性記憶装置。
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