JP2838689B2 - 半導体メモリ装置 - Google Patents

半導体メモリ装置

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JP2838689B2 JP8314137A JP31413796A JP2838689B2 JP 2838689 B2 JP2838689 B2 JP 2838689B2 JP 8314137 A JP8314137 A JP 8314137A JP 31413796 A JP31413796 A JP 31413796A JP 2838689 B2 JP2838689 B2 JP 2838689B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体メモリに係
り、特に集積度を向上させ且つ消費電力を減少させる半
導体メモリ装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、半導体メモリ市場では不揮発性半
導体メモリの一種であるフラッシュメモリが注目を浴び
ている。何故なら、フラッシュメモリは、コンピュータ
システムで現在一番広く使われている外部記憶装置であ
るHDDに取って代わるであろうと期待されているから
である。現在、コンピュータシステムではキャッシュメ
モリと主記憶装置として、電気的に替えて読み出し/書
き込み可能なSRAM又はDRAMが主に使われている
が、これらは揮発性メモリであって、電源を切ると、格
納されたデータを消失するという欠点がある。従って、
現在のコンピュータシステムでは電源がオフされた状態
でも引き続きデータを格納できる不揮発性メモリで構成
された外部記録装置を別途に備えている。
【0003】このような外部記憶装置としては主にHD
Dのようなディスク又は磁気テープ等の磁気メモリが使
われている。これはデータ読み出し速度が遅く、消費電
力が大きく、重さが重いだけではなく、小型化に困難で
あり、外部の衝撃に弱い等の短所がある。しかしなが
ら、フラッシュメモリが出現するまでに唯一に電気的に
替えて書き込み可能であり不揮発性メモリであったEE
PROMよりは、はるかに安かったため使用されてい
る。
【0004】しかし、最近、電気的に繰り返し書き込み
可能であり、不揮発性半導体メモりであって既存のEE
PROMよりはより安価なフラッシュメモリが開発され
た。一方、小型化、軽量化、低電力化、高い耐衝撃性な
どの特性を要求する携帯型コンピュータが広く供給され
るに伴って、HDDをフラッシュメモリに代替する動き
が全世界的に広がっている。大部分のフラッシュメモリ
を使用しているシステムメーカーは、現在HDDとフラ
ッシュメモリとの価格差のために、パソコンシステムで
は既存のHDDを使用し、HDD補助用メモリとしてP
CMCIAフラッシュメモリカードを一緒に使用してい
る。早ければ、1997年以後64Mフラッシュメモリ
の本格的な量産段階に入って、フラッシュメモリとHD
Dの価格差が3倍以下に減少することが予想される。そ
うなれば、HDDの代わりにPCMCIAフラッシュメ
モリカードがポータブルコンピュータの主外部記憶装置
として使われるだろうと予想されている。その他にもフ
ラッシュメモリは電話機、ページャ、ファックシミリ、
LAN等の通信装備や、TV、VCR、ゲーム機、カメ
ラ、オーディオなどの家電製品や、自動車部品や、軍事
用電子機器や、医療機器等の広範囲な分野で記憶装置と
して広く使われるだろうと期待されている。
【0005】以下、従来のメモリ素子のうちEEPRO
Mを添付図面を参照して説明する。図1は従来のEEP
ROMの回路構成図であって、代表的なフラッシュEE
PROM素子の一つであるINTELの「ETOX」フ
ラッシュEEPROMの単位セル回路図である。一般的
なEEPROMセルはスタックトゲートMOS構造を有
するFAMOSからなっており、各セルの制御ゲートは
1本のワード線(W/L)、各セルのドレイン(D)は
1本のビット線(B/L)に接続されており、各セルの
ソース(S)は1本の共通ソース線(C.S)に接続さ
れている。各ビット線(B/L)は一つのセンスアンプ
(SA)の一入力端子に接続されており、センスアンプ
(SA)の他の入力端子は基準電圧(Vref )に接続さ
れている。
【0006】前記のように構成された一般的なEEPR
OMセルは図2に示すような構造である。即ち、P型シ
リコン基板1上に浮遊ゲートF.Gと制御ゲートC.G
が順次積層され、前記浮遊ゲートF.Gの両側のシリコ
ン基板にN型不純物領域としてのソース領域S及びドレ
イン領域Dが形成されている。シリコン基板1と浮遊ゲ
ートF.Gとの間及び浮遊ゲートF.Gと制御ゲート
C.Gとの間には絶縁膜が形成される。浮遊ゲートF.
Gと制御ゲートC.Gとの間の絶縁膜は一般的なトラン
ジスタのゲート絶縁膜程度の厚さであるが、浮遊ゲート
F.Gとシリコン基板1との間は約100Å以下のトン
ネル絶縁膜として形成される。
【0007】このような従来のフラッシュEEPROM
の動作を次に示す。図3は従来のEEPROMでデータ
を記録するときの動作説明図である。図4は従来のEE
PROMにおけるデータ消去時の動作説明図である。ま
ず、一つのセルにデータ「1」を書き込むためには、図
3に示すように、そのセルに該当するビット線B/Lに
7〜8Vの電圧を印加し、ワード線W/L(制御ゲート
C.G)に12〜13Vの電圧パルスを印加し、ソース
Sと基板は接地する。そうすると、ドレインDと基板と
の間のPN接合で電子なだれ降伏が発生し、それにより
ホットエレクトロンが生成される。このように生成され
たホットエレクトロンのうち一部は、基板とトンネル酸
化膜との間のエネルギー障壁の高さ(約3.2eV)よ
り大きいエネルギーを得て、基板からトンネル酸化膜を
越えて浮遊ゲートF.Gに注入される。このような方法
をチャンネルホットエレクトロン注入方式という。この
とき、浮遊ゲートF.Gに注入された電子の数が増加す
ればするほど、セルのしきい値電圧が増加する。通常、
セルのしきい値電圧が7V以上となるように「書き込
み」を行う。一旦、電子が浮遊ゲートF.Gに注入され
て格納されると、浮遊ゲートF.Gとその浮遊ゲート
F.Gを完全に覆っている絶縁膜との間のエネルギー障
壁の高さが3eVより大きいので、自然の電子放出は無
視するほど小さい。したがって、格納された電子の量は
殆ど数年間変わりなく保持される。セルのこの状態が2
進法における論理「1」を示す。
【0008】上述したように一つのセルに書き込まれた
データを消す方法を次に示す。図4に示すように、基板
と制御ゲートC.Gとを接地し、ドレインはフローティ
ングさせ、共通ソース線C.Sには12〜13Vの電圧
パルスを印加する。トンネリング現象によって浮遊ゲー
トF.Gに格納されていた電子が浮遊ゲートF.Gから
薄いゲート酸化膜を介してソースSへ放出される。浮遊
ゲートF.Gに格納された電子の放出量が増加するのに
伴って、セルのしきい値電圧は低下する。一般的にはセ
ルのしきい値電圧が3V以下となるように消去を行う。
このような状態が2進法における論理「0」を示す。
【0009】次に、一つのセルに格納されたデータを読
み出す方法を次に示す。即ち、そのセルのドレインDに
接続されたビット線(B/L)に1〜2Vを印加し、基
板とソースSは接地する。それから、そのセルの制御ゲ
ートC.Gに接続されたワード線W/Lに3〜5Vの電
圧パルスを印加する。そのセルにデータ「1」が格納さ
れている場合には、セルは「オフ」状態になるので、そ
のビット線B/Lに充電された電荷は放出されずそのま
ま残っており、予め印加された電位1〜2Vがそのまま
保持される。一方、そのセルにデータ「0」が格納され
ている場合には、そのセルは「オン」状態になるので、
そのビット線B/Lに充電された電荷は全てそのセルを
介してソースSへ放出され、そのビット線B/Lの電位
は接地状態になる。このようなビット線B/Lの電位差
をそのビット線B/Lに連結されたセンスアンプSAが
認識して、そのセルの格納されたデータを読み出す。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の「E
TOX」フラッシュEEPROMの場合はデータを読み
出すとき、ランダムアクセスが可能であって、データ読
み出し時間が比較的短いという長所があるが、一方まだ
改善すべき数多くの問題点を抱えている。特に、代表的
な問題点は次のようである。
【0011】セルに格納されたデータを消去するとき、
制御ゲートと基板は接地し、ソースには13Vの高い電
圧を印加し、ドレインには外部から電圧を印加しないの
で、ソースと基板との間には大きい電圧差が生ずる。従
って、ソース接合領域でバンド−バンドトンネリング(b
and to band tunneling)と電子なだれ降伏が発生する。
これにより、ソース接合領域で多くの電子−価電子帯が
発生し、そのうち一部の価電子がソース接合領域に形成
された深い空乏層領域で電界によって加速され、高いエ
ネルギーの価電子(いわゆるホットホール)になった
後、トンネル酸化膜に注入して、そのうち一部が酸化膜
に捕獲される。このように捕獲された価電子は消去時に
消去速度を大きく増加させる結果を生み出す。これによ
り、価電子がトンネル酸化膜内に捕獲されたセルの消去
しきい値電圧は、価電子がゲート酸化膜内に捕獲されて
いない他のセルの消去しきい値電圧より低くなる。従っ
て、場合によってはこういったセルの消去しきい値電圧
が(−)値を有する場合も発生する。このような場合に
は常にこれらセルから漏洩電流が流れ、データ読み出し
時にエラーが発生する結果をもたらす。このような問題
を過消去問題という。
【0012】そして、上述したように、ゲート酸化膜内
の価電子捕獲によって消去後のしきい値電圧が低くなり
すぎた欠陥セルは、データのプログラムと消去が引き続
き進行しながらいつも欠陥セルとして残っているのでは
なく、相当な数の欠陥セルはトンネル酸化膜に捕獲され
た価電子が後の消去時にトンネル酸化膜を通過する電子
と再結合して消失されることにより、普通のセルに戻
る。
【0013】プログラム/消去のサイクルが進行中、あ
るセルは初期には普通のセルであって途中で欠陥セルに
なる場合が多い。このようにゲート酸化膜内の価電子の
捕獲はどのセルでいつ発生するか全く予測することがで
きないので、製造工程後に施すスクリーニングテストで
前記のような問題が発生するおそれのある素子を予め選
り抜くことができない。
【0014】一方、前記過消去問題を減少させるため
に、従来の「ETOX」フラッシュEEPROMでは図
3及び図4に示すように、消去時にホットホールの発生
を減少できるようにソース接合を深傾斜接合(deep grad
ed junction)で作った場合もあったが、この場合にもホ
ットホールの発生を完全に防止できなく、且つソース接
合を深く形成することにより単位セルの面積を大きく増
加させている。
【0015】以下、次の問題についてのべる。あるセル
をプログラムするとき、そのセルと同じビット線に接続
された他の選択されないセルのワード線は接地されてお
り、ドレインには約7〜8Vの電圧が印加される。この
とき、選択されないセルのうち予めプログラムされたセ
ルは浮遊ゲートに電子が蓄積されているので、浮遊ゲー
トの電位が−2〜−3V程度になる。従って、プログラ
ムされていて選択されなかったセルのドレインと浮遊ゲ
ートとの間には約9〜10Vの相当な電位差が生じるこ
とになる。そのため、ファウラー−ノルドハイムトンネ
ルによって浮遊ゲートにある電子がドレインへ放出され
たり、ドレイン接合で生成されたホットホールが浮遊ゲ
ートに注入されたりして、浮遊ゲートに格納された電子
が消失するなどの問題が発生することもある。
【0016】第3の問題は次の通りである。従来の「E
TOX」フラッシュEEPROMはチャンネルホットエ
レクトロン注入方式でプログラムを施している。このよ
うな方式を用いてプログラムを実施する場合には、プロ
グラム時にプログラムのために選択されたセルと連結さ
れたビット線に約6〜8Vの高い電圧が印加され、且つ
そのビット線に約100μAの大きい電流が流れる。従
って、プログラム時に電力が余分に消費される問題があ
った。
【0017】本発明はかかる問題点を解決するためのも
ので、その目的は消費電力を少なくすると共にデータの
消失等を減少させることができ、かつセルの大きさを減
少させて集積化することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の半導体メモリ装置は、第1導電型半導体基板と、前
記半導体基板上に形成され、電荷を充電もしくは放電す
る第1電極と、前記第1電極上に形成され、第1電極の
電荷充放電及びデータ読み出し/書き込みを制御する第
2電極と、前記第2電極の少なくとも一側の半導体基板
に形成され、電荷を供給する電荷入出力端を有すること
を特徴とする。
【0019】上記目的を達成する本発明の半導体メモリ
装置の製造方法は、半導体基板にトンネル誘電体膜を形
成する段階と、前記トンネル誘電体膜上に浮遊ゲートを
形成する段階と、前記浮遊ゲートを含む基板の全面に強
誘電体膜を形成する段階と、前記浮遊ゲート上の強誘電
体膜上に制御ゲートを形成する段階と、前記制御ゲート
の少なくとも一側に電荷入出力端を形成する段階と、を
有することを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、前記本発明の半導体メモリ
装置及びその製造方法を添付図面に基づいてより詳しく
説明する。図5は本発明の動作原理を説明するための単
位セルの断面構造図である。まず、本発明の半導体メモ
リ装置においては、単位メモリセルの構成は電荷を充放
電する浮遊ゲートF.Gと電荷充放電及び読み出し/書
き込みを制御する制御ゲートC.Gとが積層されてお
り、基板10の前記浮遊ゲートF.Gの少なくとも一方
の側には電荷入出力端として用いられる不純物領域14
が形成されるスタックトゲートMOSキャパシタの構造
となっている。図5では電荷入出力端を両側に設けてい
るが、いずれか一方だけでもよい。また、図示のように
制御ゲートC.Gは浮遊ゲートF.Gの上に積層させる
だけでなく、浮遊ゲートの両側から基板の不純物領域に
かかる部分まで覆っている。
【0021】浮遊ゲートF.Gと制御ゲートC.Gが積
層され、基板の前記浮遊ゲートF.Gの両側に不純物領
域14が形成されているのでスタックトゲートMOS構
造ではあるが、この実施形態の場合、前記不純物領域1
4、14の間の半導体基板が電荷を伝送するチャンネル
として用いられない。プログラム時には一般的なEEP
ROMのようにデータ「0」もしくはデータ「1」を記
録するように浮遊ゲートに電荷を注入し又は引き抜くよ
うにする一方、読み出し時には浮遊ゲートF.Gに電荷
が注入されているか引き抜かれているかと、制御ゲート
C.Gにパルスが印加されたか否かとによって、前記不
純物領域14、14の間に反転層が形成されるか否かが
決定される。結局、本発明は、前記制御ゲートC.Gと
浮遊ゲートF.Gとの間に形成されるキャパシタ、前記
浮遊ゲートF.Gと反転層との間に形成されるキャパシ
タ、及び制御ゲートC.Gと不純物領域14との間に形
成される寄生キャパシタの充放電を用いたスタックトゲ
ートMOSキャパシタである。
【0022】即ち、図5(a)に示すように、浮遊ゲー
トF.Gに電荷が格納してあれば、基板の不純物領域1
4の間(チャンネル領域)に反転層が形成されず、反転
層が形成されなければ、基板の不純物領域14の間に電
荷が格納されない。そして、図5(b)に示すように、
浮遊ゲートF.Gに電荷が格納されなければ、基板の不
純物領域14の間に反転層が形成され、反転層が形成さ
れると、反転層が形成された不純物領域14の間に電荷
が格納される。
【0023】このように単位セルのスタックトゲートM
OSキャパシタを有する本発明の半導体メモリ装置の構
成を次に示す。図6は本発明の第1実施形態による半導
体メモリ装置の回路的構成図であり、図7は本発明の第
1実施形態による半導体メモリ装置のレイアウト図であ
り、図8は図7A−A’線における本発明の第1実施形
態による半導体メモリ装置の構造断面図であり、図9は
図7のB−B’線における本発明の第1実施形態による
半導体メモリ装置の構造断面図である。
【0024】マトリックス状に配列され、浮遊ゲートに
電荷が充電されたか否かによってデータをプログラムす
る複数個のスタックトゲートMOSキャパシタC11〜
Cnmと、前記複数個のスタックトゲートMOSキャパ
シタC11〜Cnmのうち同一行のスタックトゲートM
OSキャパシタを同時に制御できるようにした複数個の
ワード線W/L1〜W/Lmと、前記複数個のスタック
トゲートMOSキャパシタC1〜Cnmのうち同一列の
スタックトゲートMOSキャパシタに対してデータを書
き込んだり読み出したりするための複数個のビット線B
/L1〜B/Lnと、前記各ビット線B/L1〜B/L
nからデータを感知して出力する複数個のセンスアンプ
SA1〜SAnとによって構成される。
【0025】前記複数個のスタックトゲートMOSキャ
パシタC11〜Cnmのうち同一行のスタックトゲート
MOSキャパシタの各制御ゲートは1本のワード線W/
Lに連結され、同一列のスタックトゲートMOSキャパ
シタの各電荷入出力端である不純物領域は1本のビット
線B/Lに連結される。そして、各センスアンプSA1
〜SAnは当該ビット線を一つの入力端子とし、各セン
スアンプSA1〜SAnの他の入力端子には基準電圧が
印加される。
【0026】図7に示すように、半導体基板に一定間隔
を置いて一方向にフィールド絶縁膜11が形成されてい
る。半導体基板のフィールド絶縁膜11とフィールド絶
縁膜11との間は活性領域である。12がワード線であ
って、フィールド絶縁膜11と直角方向に一定間隔を置
いて平行に多数形成されている。このワード線12に沿
って(図7)活性領域の上側(図8)に一定間隔で複数
の浮遊ゲート13が形成されている。活性領域のうち前
記ワード線12とワード線12との間に電荷入出力端で
ある高濃度N型不純物領域14(図9)が形成される。
後述の絶縁膜18を挟んでワード線の上側のフィールド
絶縁膜11の間にそれと平行に複数個のビット線15が
形成されている。前記のように形成された複数個の高濃
度N型不純物領域14はそれぞれの列ごとに1本のビッ
ト線15に連結される。
【0027】この実施形態のメモリ装置の断面構造につ
いてさらに説明する。P型半導体基板10に一定間隔を
おいて、フィールド領域にフィールド絶縁膜(酸化膜)
11が形成されて、フィールド領域と活性領域を区画す
る。そのフィールド絶縁膜が形成されたP型半導体基板
10上にトンネル誘電体膜16が形成されている。その
上の活性領域の部分に浮遊ゲート13が形成される。各
浮遊ゲート13を形成させた基板の全面に強誘電体膜1
7が形成され、その上にワード線12が形成されてい
る。そのワード線12を形成させた基板の全面に層間絶
縁膜18が形成され、その上にビット線15が形成され
る。この際、トンネリング酸化膜16及び強誘電体膜1
7としてPZT(Lead(Pb) Zirconate Titanate) が使用
されるのが好ましい。
【0028】一方、ビット線方向の断面は、図9に示す
ように、各ワード線12は浮遊ゲート13を覆うように
形成され、ワード線12と浮遊ゲート13との間の静電
容量を大きくする。且つ浮遊ゲート13とビット線15
との間の容量結合が最小となるようにする。基板10の
各ワード線12の間には前記のように高濃度N型不純物
領域14が形成されている。層間絶縁膜18の高濃度N
型不純物領域14の部分にはコンタクトホールが形成さ
れ、各高濃度N型不純物領域14がビット線15に連結
される。
【0029】以下、このような上述した本発明の第1実
施形態による半導体メモリ装置の製造方法を説明する。
図10は図7のA−A’線における工程断面図であり、
図11は図7のB−B’線における工程断面図である。
まず、図10(a)及び図11(a)に示すように、P
型半導体基板10上にバッファ酸化膜19、窒化膜20
及び感光膜21を順次堆積し、フォトリソグラフィでフ
ィールド領域と活性領域を区画して活性領域のみに感光
膜21パターンが形成されるようにする。
【0030】図10(b)及び図11(b)に示すよう
に、前記感光膜21パターンをマスクとして前記窒化膜
20を選択的に除去し、酸素雰囲気で熱処理してフィー
ルド領域にフィールド絶縁膜(フィールド酸化膜)11
を形成する。そして、感光膜21、窒化膜20、及びバ
ッファ酸化膜19を除去する。図10(c)及び図11
(c)に示すように、フィールド絶縁膜11が形成され
たP型半導体基板10にPZT等のトンネル誘電体膜1
6を形成する。このトンネル誘電体膜16の条件は、ト
ンネリングできる厚さを有しなければならないことと、
誘電率の大きい物質であることであり、トンネリングで
きる最も適切な厚さは70〜150Å程度である。
【0031】図10(d)及び図11(d)に示すよう
に、前記トンネル誘電体膜16上に多結晶シリコンを堆
積し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程で前記多
結晶シリコンをパターニングして、前記活性領域のトン
ネル誘電体膜16の上に浮遊ゲート13を形成する。浮
遊ゲート13は金属で形成してもよい。図10(e)及
び図11(e)に示すように、前記浮遊ゲート13を含
んだ基板の全面に強誘電体膜17を堆積する。強誘電体
膜17としては酸化膜/窒化膜、酸化膜/窒化膜/酸化
膜の積層された構造で形成するか、或いはPZTなどで
形成する。
【0032】図10(f)及び図11(f)に示すよう
に、前記強誘電体膜17の全面に多結晶シリコンを堆積
し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程で前記多結
晶シリコンを選択的に除去して、前記浮遊ゲート13の
上側にワード線12を形成する。ワード線12はフィー
ルド絶縁膜11に対して直角な方向に形成され、かつ一
行の浮遊ゲート13を1本のワード線12によって覆う
ように形成する。ワード線は多結晶シリコンの代わりに
金属で形成してもよい。図10(g)及び図11(g)
に示すように、前記ワード線12をマスクとして、露出
した活性領域のP型半導体基板10にN型不純物イオン
を高濃度で注入して電荷入出力端として使用する高濃度
N型不純物領域14を形成する。
【0033】図10(h)及び図11(h)に示すよう
に、前記ワード線12を有する基板の全面に層間絶縁膜
18を堆積し、前記高濃度N型不純物領域14が露出さ
れるように前記トンネル誘電体膜16、強誘電体膜1
7、及び層間絶縁膜18を選択的に除去してコンタクト
ホールを形成する。図10(i)及び図11(i)に示
すように、層間絶縁膜18上に多結晶シリコンを堆積
し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程で多結晶シ
リコンを選択的に除去して、前記高濃度N型不純物領域
14に電気的に連結されるようにビット線15を形成す
る。ビット線15を金属で形成してもよい。
【0034】このようにして本発明の第1実施形態によ
る半導体メモリ装置を製造することができる。しかし、
図10(h)及び図11(h)に示すように、ビット線
コンタクトホールを形成するためにはマスキング工程を
必要とするが、マスキング工程無しにも本発明の第1実
施形態の半導体メモリ装置を製造することができる。そ
の際、図10(e)及び図11(e)に示すように浮遊
ゲート13を含んだ基板の全面に強誘電体膜17を形成
する工程までは同一である。その後、図12(a)に示
すように、前記強誘電体膜17の全面に多結晶シリコン
12a、キャップ絶縁膜(酸化膜)23を順次堆積す
る。図12(b)に示すように、パターンマスクを用い
たフォトリソグラフィ及びエッチング工程で前記キャッ
プ絶縁膜23、多結晶シリコン12a、強誘電体膜1
7、及びトンネル誘電体膜16を選択的に除去してワー
ド線12を形成する。このとき使用したパターンマスク
は前記図10(f)及び図11(f)でワード線12を
パターニングするときに使用したマスクである。
【0035】図12(c)に示すように、前記ワード線
12をマスクとして、露出した活性領域のP型半導体基
板10にN型不純物イオンを高濃度で注入して、高濃度
N型不純物領域14を形成する。図12(d)に示すよ
うに、前記ワード線12及びキャップ絶縁膜23を含ん
だ基板の全面に絶縁膜を堆積し、エッチバックしてワー
ド線12の側面に絶縁膜側壁24を形成する。このよう
に、ワード線12の側面に絶縁膜側壁24を形成するの
で、自動的に前記高濃度N型不純物領域14にはコンタ
クトホールが形成される。図12(e)に示すように、
キャップ絶縁膜23及び絶縁膜側壁24を含んだ基板の
全面に多結晶シリコンを堆積し、フォトリソグラフィ及
びエッチング工程で多結晶シリコンを選択的に除去し
て、前記高濃度N型不純物領域14に電気的に連結され
るようにビット線15を形成する。このようにして、ビ
ット線コンタクトホール工程を施せず、本発明の第1実
施形態の半導体メモリ装置を製造することができる。
【0036】以下、本発明の第2実施形態による半導体
メモリ装置及びその製造方法を説明する。まず、本発明
の第2実施形態による半導体メモリ装置の単位セルは、
図13に示すように、スタックトゲートMOSキャパシ
タの一側のみに電荷入出力端を形成したものである。図
14は本発明の第2実施形態による半導体メモリ装置の
レイアウト図であり、図15は図14のA−A’線にお
ける本発明の第2実施形態による半導体メモリ装置の構
造断面図であり、図16は図14のB−B’線における
本発明の第2実施形態による半導体メモリ装置の構造断
面図である。
【0037】本発明の第2実施形態による半導体メモリ
装置の回路的構成を図13に示す。図示のように、スタ
ックトゲートMOSキャパシタの一側のみに電荷入出力
端を形成してビット線に接続するようにした点以外前述
の例と格別の差異はない。ただ、スタックトゲートMO
Sキャパシタは、浮遊ゲートの両側にそれぞれ不純物領
域を形成してもよい、その場合、一つの不純物領域のみ
を電荷入出力端として用いてビット線B/Lに連結し、
もう一つはフローティングさせる。
【0038】このような回路的構成を有する本発明の第
2実施形態による半導体メモリ装置の構造を以下に示
す。左記の例と同じ部材は同じ符号で示してある。ま
ず、本発明の第2実施形態による半導体メモリ装置のレ
イアウトは図14に示すように、半導体基板のフィール
ド領域にフィールド絶縁膜11が形成され、前記フィー
ルド絶縁膜11に直角方向に一定間隔で複数個のワード
線12が形成されている。このワード線に沿って一定間
隔で複数個の浮遊ゲート13が形成されている。この浮
遊ゲート13は当然活性領域の部分に形成される。この
実施形態の場合高濃度不純物領域14は、領域14の間
に2本のワード線12を置くように配置されている。こ
れらの高濃度不純物領域14、浮遊ゲート13を貫くよ
うに、ワード線と直角方向に複数のビット線15が形成
されている。不純物領域14が、本発明の第1実施形態
のように、各ワード線の間に形成させた場合、一つおき
にビット線に連結すればよい。
【0039】次に断面構造を示す。つまり、ワード線1
2方向の断面は図15に示すように、P型半導体基板1
0に一定間隔を置いて複数個の活性領域が形成されるよ
うに、一定間隔でフィールド絶縁膜(酸化膜)11を形
成して、フィールド領域と活性領域を区画する。P型半
導体基板10上にトンネル誘電体膜16が形成され、そ
の上の活性領域の部分に浮遊ゲート13が形成されてい
る。浮遊ゲート13上に強誘電体膜17が形成され、そ
の上にワード線12が形成され、その上に層間絶縁膜1
8が形成され、最後にその上にワード線12に対して直
角方向にビット線15が形成される。
【0040】一方、ビット線方向の断面は図16に示す
ように、P型半導体基板10上にトンネル誘電体膜16
が形成され、その上に浮遊ゲート13、強誘電体膜17
が形成される。その上にワード線12が形成されるが、
ワード線12は前記浮遊ゲート13を覆うように形成さ
れ、ワード線12と浮遊ゲート13との間の静電容量を
大きくしている。2本のワード線12を一対にして、そ
の間に高濃度N型不純物領域14が形成されている。そ
の上に層間絶縁膜18が形成され、前記層間絶縁膜18
上にはビット線15が形成される。前記高濃度N型不純
物領域14の部分にはコンタクトホールが形成され、高
濃度N型不純物領域14がビット線15に連結される。
【0041】本発明の第2実施形態による半導体メモリ
装置の製造方法を次に示す。図17は図14のA−A’
線の工程断面図であり、図18は図14のB−B’線の
第2実施形態による半導体メモリ装置の工程断面図であ
る。まず、図17(a)及び図18(a)に示すよう
に、P型半導体基板10上にバッファ酸化膜19、窒化
膜20、及び感光膜21を順次堆積し、フォトリソグラ
フィでフィールド領域と活性領域を区画して、活性領域
のみに感光膜21パターンが形成されるようにする。
【0042】図17(b)及び図18(b)に示すよう
に、前記感光膜21パターンをマスクとして前記窒化膜
20を選択的に除去し、酸素雰囲気で熱処理してフィー
ルド領域にフィールド絶縁膜(フィールド酸化膜)11
を形成する。そして、感光膜21、窒化膜20、及びバ
ッファ酸化膜19を除去する。図17(c)及び図18
(c)に示すように、フィールド絶縁膜11が形成され
たP型半導体基板10の全面にトンネル誘電体膜16を
形成する。この際、前記トンネル誘電体膜16の厚さは
70〜150Å程度にする。
【0043】図17(d)及び図18(d)に示すよう
に、前記トンネル誘電体膜16上に多結晶シリコンを堆
積し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程で前記活
性領域のトンネル誘電体膜16上に浮遊ゲート13を形
成する。浮遊ゲート13は金属で形成してもよい。図1
7(e)及び図18(e)に示すように、前記浮遊ゲー
ト13を含んだ基板の全面に強誘電体膜17を堆積す
る。強誘電体膜17としては酸化膜、酸化膜/窒化膜の
積層された構造、酸化膜/窒化膜/酸化膜の積層された
構造、及びPZTのうちいずれか一つで形成する。図1
7(f)及び図18(f)に示すように、前記強誘電体
膜17の全面に多結晶シリコンを堆積し、フォトリソグ
ラフィ及びエッチング工程で前記多結晶シリコンを選択
的に除去して、前記浮遊ゲート13の上側にワード線1
2を形成する。ワード線は多結晶シリコンの代わりに金
属で形成してもよい。
【0044】図17(g)及び図18(g)に示すよう
に、感光膜22を堆積し、露光及び現像工程で感光膜2
2パターンを形成する。感光膜22パターンはワード線
12の間の活性領域のうち、一つ置きの活性領域の上部
が露出されるようにする。この感光膜22パターンをマ
スクとして、露出された活性領域のP型半導体基板10
にN型不純物イオンを高濃度で注入して高濃度のN型不
純物領域14を形成する。図17(h)及び図18
(h)に示すように、層間絶縁膜18を堆積し、前記高
濃度N型不純物領域14が露出されるように前記トンネ
リング酸化膜16、強誘電体膜17、及び層間絶縁膜1
8を選択的に除去してコンタクトホールを形成する。図
17(i)及び図18(i)に示すように、層間絶縁膜
18上に多結晶シリコンを堆積し、フォトリソグラフィ
及びエッチング工程で多結晶シリコンを選択的に除去し
て、高濃度N型不純物領域14に電気的に連結されるよ
うにビット線15を形成する。ビット線15を金属で形
成してもよい。
【0045】本発明の第2実施形態による半導体メモリ
装置の製造方法においても、不純物領域の形成時、図1
7(g)及び図18(g)に示すようにフォトリソグラ
フィを使用せず、本発明による第1実施形態の図10
(g)及び図11(g)で説明したような方法で高濃度
N型不純物領域14を各ワード線12の間の活性領域に
形成してもよい。なお、図12(b)に示すように、ワ
ード線12上にキャップ絶縁膜23が形成されるように
した後、図18(g)に示すように、ワード線12の間
の活性領域のうち一つおきの活性領域の上部が感光膜パ
ターンによってマスキングされるようにしてイオン注入
し、感光膜パターンのある状態で図12(d)のように
絶縁膜側壁24を形成してもよい。
【0046】上述した本発明の半導体メモリ装置の動作
を以下に説明する。図19は本発明の半導体メモリ装置
でデータ「0」を読み出すときのキャパシタ応答回路図
であり、図20は本発明の半導体メモリ装置でデータ
「1」を読み出すときのキャパシタ応答回路図である。
まず、データをプログラムする動作から説明する。プロ
グラムしないセルが連結された列のビット線15にはプ
ログラムを防止するために3〜5Vの電圧を印加し、プ
ログラムする列のビット線15は接地させる。そして、
データ「0」を書き込もうとするセルのワード線12に
は12〜15Vのパルスを印加し、データ「1」を書き
込もうとするセルのワード線12は接地させる。データ
「0」を書き込むセルのビット線15は接地されてお
り、且つワード線12に12〜15Vのパルスが印加さ
れているので、ワード線としての制御ゲートC.Gと半
導体基板10のチャンネルとの間に12〜15Vの電圧
が印加される。従って、ファウラー−ノルドハイムトン
ネルによって半導体基板の電荷がトンネル誘電体膜16
を通過して浮遊ゲート13に蓄積されてデータ「0」を
記録する。ビット線15、ワード線12とも接地されて
いるセルでは、ワード線としての制御ゲートC.Gと半
導体基板10のチャンネルとの間に電圧が印加されない
ので、半導体基板の電荷が浮遊ゲート13に蓄積され
ず、データ「1」を記録する。
【0047】プログラムを防止するために、3〜5Vの
電圧が印加されたビット線15に接続されたセルはたと
えワード線12に12〜15Vのパルスが印加されたと
してもチャンネル領域が反転され、ビット線15に電圧
3〜5Vが加えられているので、半導体基板10から浮
遊ゲート13にトンネリングされるほどの充分な電圧が
ワード線12と基板のチャンネルとの間に加えられな
い。従って、浮遊ゲート13に電荷が注入されない。こ
のように一列に連結されたセルのプログラムが終わる
と、上述した方式で次の列に連結されたセルを順次プロ
グラムする。
【0048】他の方法でもプログラムすることができ
る。データ「0」を書き込もうとするセルのビット線B
/Lには3〜5Vのパルスを印加し、データ「1」を書
き込もうとするセルのビット線B/Lは接地した後、プ
ログラムしないセルが連結された行のワード線W/Lは
プログラムを防止するために接地し、プログラムする行
のワード線W/Lのみに12Vの電圧を印加すると、前
記のような方法でプログラムされる。従って、ビット線
15に3〜5Vの電圧が印加され、ワード線12に12
Vの電圧が印加されたセルの浮遊ゲート13にはトンネ
リングによって電荷が充電され、残りは充電されない。
【0049】一方、データ消去時には全てのワード線1
2を接地し、基板には12〜15Vの電圧を印加する。
そうすると、浮遊ゲート13に蓄積されていた電荷がト
ンネリングによって浮遊ゲート13からトンネル誘電体
膜16を通過して基板側に放出される。
【0050】次に、読み出し動作を説明する。読み出し
時は一つのワード線12に連結された全てのセルを同時
に読み出したり、いくつかのセルを選択して読み出すこ
とも可能である。まず、読み出そうとするセルが連結さ
れたビット線15を一定の電圧でプリチャージさせ(例
えば0V)、読み出すセルが連結されたワード線12に
は一定の電圧(例えば5V)を印加し、読み出すセルが
連結されたワード線12を除いた全てのワード線12は
接地させる。そうすれば、各セルにデータ「0」もしく
はデータ「1」がプログラムされていた否かによってそ
れぞれセルに連結されたビット線15の電圧が異なる。
このような電圧差をセンスアンプを介して検出すること
により読み出しが行われる。
【0051】ここで、一つのセルにデータ「0」が書き
込まれた場合とデータ「1」が書き込まれた場合、読み
出し時そのセルに連結されたビット線の電圧がどのよう
に異なって表れるかを計算すると、次の通りである。第
1、セルにデータ「0」が書き込まれた場合には、浮遊
ゲート13に一定量の電荷、即ち(−)電荷が上述した
ように蓄積されている。このような場合には一般的なス
タックドゲートフラッシュEEPROMの場合から分か
るように、浮遊ゲートの(−)電荷蓄積によってワード
線12としての制御ゲートで測定した時、しきい値電圧
が普通7V以上に増加している。従って、ワード線12
に5Vの電圧パルスが印加されても、このセルのチャン
ネル領域には反転層が形成されておらず、しかも図5
(A)に示すようにビット線15からそのセルのチャン
ネル領域への電荷移動がない。そして、このセルのビッ
ト線15に連結された他のセルのワード線は接地されて
いるので、その他のセルがデータ「0」でプログラムさ
れているか、或いはデータ「1」でプログラムされてい
るかにかかわらず、全てオフされている。従って、セル
に連結されたビット線B/Lから見たキャパシタ応答回
路は、図19に示すようになる。
【0052】図19において、容量結合によってデータ
「0」が記録されたセルからビット線B/Lを通じてセ
ンスアンプへ出力される、電圧VBL("0")は大略的に次
の式(1)で表れる。
【数1】 ここで、Clはワード線12と不純物領域14がオーバ
ーラップして発生したキャパシタであり、C2はワード
線12と浮遊ゲート13との間のキャパシタであり、C
3は浮遊ゲート13と半導体基板10との間のキャパシ
タであり、Mは一つのビット線(B/L)に連結される
セルの数であり、CBLは一つのビット線と接続された全
ての不純物領域と半導体基板との接合キャパシタであ
る。
【0053】第2、セルにデータ「1」が書き込まれて
いる場合には、浮遊ゲート13に電荷が蓄積されていな
い状態なので、ワード線12で測定した時のしきい値電
圧は約1〜2Vに低くなっている。従って、ワード線1
2に5Vの電圧パルスが印加されると、そのセルに該当
する基板のチャンネルには強い反転層が形成されるの
で、図5(B)に示すようにビット線15の電圧がその
まま前記セルのチャンネル領域に印加される。この場
合、ビット線におけるキャパシタ応答回路を示すと、ほ
ぼ図20と同様であり、そのセルによってビット線を通
じてセンスアンプへ出力される電圧VBL("1")は次の式
(2)で表れる。
【0054】
【数2】 ここで
【数3】 である。従って、上記式(1)(2)からセンスアンプ
によってデータ「0」とデータ「1」を区分するための
電圧(△VBL)は次のようになる。
【数4】 前記式(3)で
【数5】 であり、セルの数(M)が1000個であると仮定し、
BLは無視すると、
【数6】 となる。結果的に、データ「0」が記録された時の電圧
とデータ「1」が記録された時の電圧との差は前記式
(4)に示す通りであり、一般的なセンスアンプでデー
タ「1」もしくはデータ「0」を読み出すとき、約20
mV程度の電圧差があれば読み出し可能なので、本発明
でも充分読み出すことができる。
【0055】
【発明の効果】以上説明した本発明の半導体メモリ装置
では次のような効果がある。第1に、セルに格納された
データを消去するとき制御ゲートを接地し、基板に12
〜15Vの電圧パルスを印加して、浮遊ゲートに格納さ
れていた電荷がトンネリングによって浮遊ゲートから基
板へ放出されるようにしたので、消去時に基板でホット
ホールが殆ど発生しない。従って、過消去の問題が解決
される。第2に、従来の「ETOX」フラッシュEEP
ROMの場合にはホットホールを防止するためにソース
接合を深く形成するので単位セルの面積が大幅に増加し
たが、本発明では接合を深く形成しないで単位セル当た
りビット線に接続される不純物領域を一つだけ形成して
もよいので、単位セルの面積を減少させることができ、
さらに集積度を向上させることもできる。
【0056】第3に、従来の「ETOX」フラッシュE
EPROMの場合はプログラム時ビット線に加えられる
電圧が一般的に6〜8Vであるが、本発明はプログラム
時ビット線に加えられる電圧が最大5V以下であるの
で、プログラム時に発生する浮遊ゲートに格納された電
荷の損失を防止することができる。第4、従来の「ET
OX」フラッシュEEPROMの場合にはチャンネルホ
ットエレクトロン注入によってプログラムを行っている
ので、プログラム時に約10μA程度の電流がそのプロ
グラムするセルに流れる。従って、電力消費が多かっ
た。しかし、本発明はプログラムをトンネリングによっ
て行うので、プログラム時に数pA単位の電流が流れる
だけである。従って、電力消費が少ない。第5に、本発
明は単位セル構造がスタックトゲートMOSキャパシタ
で構成されるので、電荷を伝送するチャンネルが不要で
ある。よって、ソースとドレインとの間のパンチスルー
発生のおそれは無い。従って、不純物領域のドーピング
濃度をMOSFETの場合より一層低くすることがで
き、さらに各セル当たり接合キャパシタンスを大幅減少
させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術によるEEPROMの単位セル回路
的構成図である。
【図2】 従来技術によるEEPROMの単位セル構造
断面図である。
【図3】 従来技術のEEPROMでデータを記録する
ときの動作説明図である。
【図4】 従来技術のEEPROMでデータを消去する
ときの動作説明図である。
【図5】 本発明の動作原理を説明するための単位セル
断面構造図である。
【図6】 本発明の第1実施形態による半導体メモリ装
置の回路的構成図である。
【図7】 本発明の第1実施形態による半導体メモリ装
置のレイアウト図である。
【図8】 図7のA−A’線における本発明の第1実施
形態による半導体メモリ装置の構造断面図である。
【図9】 図7のB−B’線における本発明の第1実施
形態による半導体メモリ装置の構造断面図である。
【図10】 図7のA−A’線における本発明の第1実
施形態による半導体メモリ装置の工程断面図である。
【図11】 図7のB−B’線における本発明の第1実
施形態による半導体メモリ装置の工程断面図である。
【図12】 本発明の第1実施形態による半導体メモリ
装置の他の工程断面図である。
【図13】 本発明の第2実施形態による半導体メモリ
装置の回路的構成図である。
【図14】 本発明の第2実施形態による半導体メモリ
装置のレイアウト図である。
【図15】 図14のA−A’線における本発明の半導
体メモリ装置の構造断面図である。
【図16】 図14のB−B’線における本発明の半導
体メモリ装置の構造断面図である。
【図17】 図14のA−A’線における本発明の半導
体メモリ装置の工程断面図である。
【図18】 図14のB−B’線における本発明の半導
体メモリ装置の工程断面図である。
【図19】 本発明の半導体メモリ装置でデータ「0」
を読み出すときのキャパシタ応答回路図である。
【図20】 本発明の半導体メモリ装置でデータ「1」
を読み出すときのキャパシタ応答回路図である。
【符号の説明】
10 半導体基板 11 フィールド絶縁膜 12 ワード線 13 浮遊ゲート 14 不純物領域 15 ビット線 16 トンネル誘電体膜 17 強誘電体膜 18 層間絶縁膜 19 酸化膜 20 窒化膜 21、22 感光膜 23 キャップ絶縁膜 24 絶縁膜側壁

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型半導体基板と、 前記半導体基板の上側に形成され、電荷を充電もしくは
    放電する第1電極と、 前記第1電極の上側に形成され、第1電極の電荷の充放
    電及びデータ読み出し/書き込みを制御する第2電極
    と、 半導体基板の前記第1、第2電極の少なくとも一方の側
    に形成され、電荷を供給する電荷入出力端と 前記電荷入出力端に連結されたビット線と、 を備え、 プリチャージされた前記ビット線の電荷を前記第1電極
    の充電もしくは放電に対応して前記第1電極の下で且つ
    前記電荷入出力端に隣接した基板部分に非形成もしくは
    形成される反転層中に格納し、もって前記ビット線の電
    位変化をセンシングする ことを特徴とする半導体メモリ
    装置。
  2. 【請求項2】 第1キャパシタの一方の電極として用い
    られる第1導電型半導体基板と、 前記半導体基板の上側に形成され、前記第1キャパシタ
    の他方の電極及び第2キャパシタの一方の電極として用
    いられる第1電極と、 前記第1電極の上側に形成され、第2キャパシタの他方
    の電極として用いられる第2電極と、 前記半導体基板の前記第1、第2電極の一方の側に形成
    され、第1電極に充電される電荷を供給する電荷入出力
    端と、前記電荷入出力端に連結されたビット線と、 を備え、 プリチャージされた前記ビット線の電荷を前記第1電極
    の充電もしくは放電に対応して前記第1電極の下で且つ
    前記電荷入出力端に隣接した基板部分に非形成もしくは
    形成される反転層中に格納し、もって前記ビット線の電
    位変化をセンシングする ことを特徴とする半導体メモリ
    装置。
  3. 【請求項3】 前記第2電極と電荷入出力端がオーバー
    ラップして、第3キャパシタが形成されることを特徴と
    する請求項2記載の半導体メモリ装置。
  4. 【請求項4】 基板上に浮遊ゲートと制御ゲートが積層
    され、基板の前記制御ゲートの一方の側には電荷入出力
    端として用いられる不純物領域が形成されたスタックト
    ゲートMOSキャパシタの構造で単位セルが構成され
    導体メモリ装置であって、 マトリックス状に配列される複数個のスタックトゲート
    MOSキャパシタと、 前記複数個のスタックトゲートMOSキャパシタのう
    ち、同一行のスタックトゲートMOSキャパシタを同時
    に制御できるようにした複数個のワード線9と、 前記複数個のスタックトゲートMOSキーパシタのう
    ち、同一列のスタックトゲートMOSキャパシタに対し
    てデータを書き込み、読み出しする複数個のビット線
    と、 前記各ビット線からデータを感知して出力する複数個の
    センスアンプと、 を備え、 プリチャージされた前記各ビット線の電荷を前記浮遊ゲ
    ートの充電もしくは放電に対応して前記浮遊ゲートの下
    で且つ前記電荷入出力端に隣接した基板部分に非形成も
    しくは形成される反転層中に格納し、もって前記各ビッ
    ト線の電位変化をセンシングする ことを特徴とする半導
    体メモリ装置。
  5. 【請求項5】 一定の間隔を置いて一方向に複数個の活
    性領域が形成されるようにフィールド絶縁膜が形成され
    た第1導電型半導体基板と、 前記各活性領域に対して直角な方向に前記半導体基板の
    上側で一定の間隔を置いて形成される複数個のワード線
    と、 前記各ワード線と半導体基板の前記活性領域との間に形
    成される複数個の浮遊ゲートと、 前記各ワード線とワード線との間の活性領域に形成され
    る電荷入出力端と、 前記活性領域の上側のワード線上に、前記ワード線に対
    して直角な方向に形成される複数個のビット線と、を備え、 プリチャージされた前記各ビット線の電荷を前記浮遊ゲ
    ートの充電もしくは放電に対応して前記浮遊ゲートの下
    で且つ前記電荷入出力端に隣接した基板部分に非形成も
    しくは形成される反転層中に格納し、もって前記各ビッ
    ト線の電位変化 をセンシングする ことを特徴とする半導
    体メモリ装置。
  6. 【請求項6】 電荷入出力端は2個のワード線の間ごと
    の活性領域に形成されることを特徴とする請求項5記載
    の半導体メモリ装置。
  7. 【請求項7】 一定の間隔を置いて一方向に複数個の活
    性領域が形成されるようにフィールド絶縁膜が形成され
    た第1導電型半導体基板と、 前記各活性領域の半導体基板に一定の間隔を置いて形成
    される複数個の電荷入出力端と、 前記各電荷入出力端領域にコンタクトホールを有し、前
    記半導体基板の上側に形成されるトンネル誘電体膜と、 前記各電荷入出力端の間の活性領域の上側の前記トンネ
    ル誘電体膜上にマトリックス状に形成される複数個の浮
    遊ゲートと、 前記各電荷入出力端領域にコンタクトホールを有し、前
    記浮遊ゲートを含んだ基板の全面に形成される強誘電体
    膜と、 前記活性領域に対して直角な方向の前記浮遊ゲート上の
    前記強誘電体膜上に一つずつ形成される複数個のワード
    線と、 前記各電荷入出力端領域にコンタクトホールを有し、ワ
    ード線を含んだ基板の全面に形成される層間絶縁膜と、 同一活性領域に形成された前記電荷入出力端を電気的に
    連結するように、前記層間絶縁膜上に形成される複数個
    のビット線と、を備え、 プリチャージされた前記各ビット線の電荷を前記浮遊ゲ
    ートの充電もしくは放電に対応して前記浮遊ゲートの下
    で且つ前記電荷入出力端に隣接した基板部分に非形成も
    しくは形成される反転層中に格納し、もって前記各ビッ
    ト線の電位変化をセンシングする ことを特徴とする半導
    体メモリ装置。
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