JP2964619B2 - 半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体記憶装置およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気的に書込み,消去が可能で、不揮発性で
ある読出し専用記憶装置(EEPROM)に関し、特に消去時
における過消去(オーバーイレーズ)を防止した半導体
記憶装置およびその製造方法に関する。
〔従来の技術〕
従来のオーバーイレーズ防止機能を有するEEPROMを第
3図に示す。これは例えばIEDM89(1989年 Internatio
nal Electron Devices Meeting)講演番号25.7.1 K.Nar
uke他「A New Flash−Erase EEPROM Cell with a s
edewall select−gate on it's source side」(同dige
st pp603〜606)に示されたものである。
このEEPROMは、シリコン基板1の表面に設けた第1の
ゲート絶縁膜2上に形成した浮遊ゲート3と、この浮遊
ゲート3の上に設けた第2のゲート絶縁膜4上に形成し
た制御ゲート5を有し、さらにこれら浮遊ゲート3およ
び制御ゲート5を挟む前記シリコン基板1の所要領域に
ソース8,ドレイン9の不純物拡散領域を形成している。
そして、ソース領域8と制御ゲート5の間には、第3の
ゲート電極である選択ゲート14を設けている。なお、11
は第1の層間絶縁膜、13は前記ソース領域8,ドレイン領
域9にそれぞれ接続される配線層である。
この層によれば、EEPROMへのデータの書込みは、例え
ば、ドレイン9には7Vの電位を、制御ゲート5および選
択ゲート14には12Vの電位をそれぞれ印加し、かつソー
ス8およびシリコン基板1を接地する。したがって、ソ
ース・ドレイン間は導通して電流が流れるが、MOSトラ
ンジスタの動作に従って電流はシリコン基板1の表面の
いわゆるチャネルと呼ばれる層を流れ、ドレイン9近傍
のチャネルでは第1のゲート絶縁膜2のエネルギー障壁
を越えるエネルギーを有するいわゆるホットな電子が発
生し、浮遊ゲート3に蓄積される。
その結果、制御ゲート5に電圧を印加しても浮遊ゲー
ト3中の電子とで電気力線が終端し、シリコン基板1の
表面でチャネル形成が行われ難くなる。すなわち、MOS
トランジスタのしきい値が正方向にシフトし記憶動作が
可能になる。
一方、EEPROMの記憶を消去するには、ドレイン9に正
の電圧を印加し、制御ゲート5を接地すれば、第1のゲ
ート絶縁膜2の中のFN電流(ファウラー・ノルトハイム
電流。トンネル電流ともいう)が流れ、浮遊ゲート3中
の蓄積された電子をドレイン9側へ引抜くことができ
る。トンネル電流を生じさせるには、例えば第1のゲー
ト絶縁膜2および第2のゲート絶縁膜4の膜厚を共に12
0Åとし、ドレイン9に12Vを印加して、第1のゲート絶
縁膜2中に約5MV/cmの電界が加わるようにすればよい。
EEPROMの基本動作は以上であるが、消去に際して過大
な消去(消し過ぎ,オーバーイレーズと称す)の現象が
問題となる。それはトンネル電流の制御がうまくいかな
い場合、本来書込みによって蓄積された以上に電子が引
抜かれることがある。これが生じるとEEPROMを書込み前
の状態に戻すことができず、極端な場合にはしきい値が
負になり、通常動作では導通したままの状態になってし
まう。
それを防ぐために、第3図の例では選択ゲート14の電
位を制御ゲート5と連動させて変化させることで浮遊ゲ
ート3の電荷の状況によらずEEPROMの導通,非導通を制
御することができ、しきい値が負になっても選択ゲート
14でチャネルを非導通にすることができる。
〔発明が解決しようとする課題〕
この従来のオーバーイレーズ防止EEPROM構造では、選
択ゲート14を制御ゲート5の側部に形成するため、その
分だけ平面的に横方向の長さを大きくすることは避けら
れず、記憶装置の微細化の障害となる。また、選択ゲー
ト14の電位を外部に引出すための電極を形成する必要も
あり、このための平面面積を別途確保する必要があると
いう問題がある。
また、従来の選択ゲートは、選択ゲート5を形成した
後に、この制御ゲート5の側壁を利用して自己整合的に
製造する、いわゆる側壁形成プロセスを用いるため、そ
の寸法等において製造上のばらつきが生じ易く、特性が
不安定になるという問題もある。
本発明の目的は、これらの問題を解消し、記憶装置の
微細化を図るとともに、特性の安定化を可能とした半導
体記憶装置およびその製造方法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の半導体記憶装置は、半導体基板上に積層形成
した第1のゲート絶縁膜,浮遊ゲート,第2のゲート絶
縁膜および制御ゲートと、少なくとも前記制御ゲートの
両側面に形成された第3のゲート絶縁膜と、この第3の
ゲート絶縁膜を挟んで前記浮遊ゲートおよび制御ゲート
の両側に設けられた第1および第2の選択エピタキシャ
ル層と、第1の選択エピタキシャル層に制御ゲートの下
面にまで到らない深さに形成されるソース領域と、前記
第2の選択エピタキシャル層に浮遊ゲートの上面にまで
達する深さに形成されるドレイン領域とを備えている。
また、本発明の半導体記憶装置の製造方法は、半導体
基板上に第1ゲート絶縁膜,浮遊ゲート,第2ゲート絶
縁膜および制御ゲートを積層形成する工程と、少なくと
も前記制御ゲートの両側面に第3ゲート絶縁膜を形成す
る工程と、全面に層間絶縁膜を被着した上で、その層間
絶縁膜に前記第3ゲート絶縁膜を露呈させる開口部をそ
れぞれ開設する工程と、これらの開口部にそれぞれ前記
半導体基板につながる第1および第2の選択エピタキシ
ャル層を形成する工程と、第1の選択エピタキシャル層
と第2の選択エピタキシャル層の表面にそれぞれ異なる
深さの不純物拡散領域を形成してソース領域とドレイン
領域を形成する工程を含んでいる。
〔作用〕
本発明の半導体記憶装置によれば、第3のゲート絶縁
膜に接する第1の選択エピタキシャル層に、制御ゲート
によって直接制御されるチャネルが形成されるため、制
御ゲートが選択ゲートの機能を有することになり、選択
ゲートを不要とする。
〔実施例〕 次に、本発明を図面を参照して説明する。
第1図は本発明のEEPROMの一実施例の断面図である。
シリコン基板1の表面に第1のゲート絶縁膜2を設け、
この上にシリコン基板1と絶縁された状態の浮遊ゲート
3を設けている。また、この浮遊ゲート3上に第2のゲ
ート絶縁膜4を形成し、この上に制御ゲート5を設けて
いる。制御ゲート5の側面には第3のゲート絶縁膜6を
設けており、この第3のゲート絶縁膜6に接してシリコ
ン基板1と接続したシリコンの選択エピタキシャル層を
設けている。この選択エピタキシャル層は、制御ゲート
5の両側にそれぞれ第1および第2の選択エピタキシャ
ル層7Aおよび7Bとして設けられている。そして、これら
の選択エピタキシャル層7A,7Bにはそれぞれソース8,ド
レイン9の各不純物拡散領域が設けられる。この場合、
ソース領域8は、例えばヒ素のような浅い接合が形成さ
れ易い原子を用いて第1のエピタキシャル層7Aの表面か
ら浅く形成し、一方ドレイン領域9は、例えばリンを用
いて150KeV〜200KeVの高エネルギーでイオン注入して、
第2のエピタキシャル層7Bの表面からある程度深く形成
する。具体的には、ソース領域8は制御ゲート5の上端
部までの深さで、一方ドレイン領域9は浮遊ゲート3の
上端までで制御ゲート5の側面よりも下がった位置まで
深く形成する。その結果、ソース側の第1の選択エピタ
キシャル層7Aにはソース領域8の下に制御ゲート5によ
り制御されるチャネル領域10が形成される。
なお、11は第1の層間絶縁膜、12は第2の層間絶縁
膜、13は前記ソース領域8,ドレイン領域9にそれぞれ接
続される配線層である。
第2図の第1図の実施例の主要工程について示した製
造方法の縦断面図である。
先ず、第2図(a)のように、シリコン基板1上に第
1のゲート絶縁膜2,浮遊ゲート3,第2のゲート絶縁膜4,
制御ゲート5を構成する膜材を順次形成し、かつこれら
を選択エッチングすることで各ゲート絶縁膜とゲートを
形成する。その後、制御ゲート5および浮遊ゲート3の
側面に第3のゲート絶縁膜6を形成する。
次に、第2図(b)のように、全体を覆うように第1
の層間絶縁膜11を形成した上で、制御ゲート5に隣接す
る層間絶縁膜11を選択エッチングして第1および第2の
開口部11a,11bを形成し、シリコン基板1の表面と前記
第3のゲート絶縁膜6を露出する。
次に、第2図(c)のように、第1,第2の開口部11a,
11bの内部にのみ第1および第2の選択エピタキシャル
層7A,7Bを形成する。
次いで、第2図(d)のように、第1の選択エピタキ
シャル層7Aの表面にはヒ素をイオン注入し、また第2の
選択エピタキシャル層7Bの表面にはリンをイオン注入
し、アニール工程を経て浅い拡散層のソース領域8と、
深い拡散層のドレイン領域9をそれぞれ形成する。
しかる後、第1図に示したように、全面に第2の層間
絶縁膜12を形成し、この層間絶縁膜12のソース,ドレイ
ンに対応する箇所にコンタクトホールを開設し、ここに
配線13を選択的に形成することで、第1図の構成が完成
される。
このように構成されるEEPROMでは、制御ゲート5によ
って直接制御されるチャネル領域10が、第1の選択エピ
タキシャル層7Aのソース領域8の直下でかつ制御ゲート
5に隣接したシリコン表面に形成されるため、このチャ
ネル領域10に面した制御ゲート5の一部が従来の選択ゲ
ートと等価な機能を有することになる。
したがって、選択ゲートを独立して設けなくともオー
バーイレーズを防止することが可能となり、このように
独立した選択ゲートを不要にすることで記憶装置の微細
化が実現でき、かつ製造のばらつきによる特性の不安定
化が解消される。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、第3のゲート絶縁膜に
接する第1の選択エピタキシャル層に、制御ゲートによ
って直接制御されるチャネルが形成されるため、制御ゲ
ートが選択ゲートの機能を有することになり、選択ゲー
トを不要とする。これにより、選択ゲートを形成するた
めの平面面積をその分縮小して記憶装置の微細化を図る
ことができる。また、選択ゲートを製造する必要がない
ため、製造上のばらつきも無く、特性の安定化を図るこ
とができる。
また、本発明方法によれば、通常用いられているプロ
セス技術を利用して特性の安定した微細な記憶装置を製
造することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のEEPROMの一実施例の断面図、第2図
(a)ないし(d)は第1図の構造の製造方法を工程順
に示す断面図、第3図は従来のEEPROMの断面図である。 1……シリコン基板、2……第1のゲート絶縁膜、3…
…浮遊ゲート、4……第2のゲート絶縁膜、5……制御
ゲート、6……第3のゲート絶縁膜、7A……第1の選択
エピタキシャル層、7B……第2の選択エピタキシャル
層、8……ソース領域、9……ドレイン領域、10……チ
ャネル領域、11……第1の層間絶縁膜、12……第2の層
間絶縁膜、13……配線層、14……選択ゲート。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/8247 H01L 27/115 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に積層形成した第1のゲート
    絶縁膜,浮遊ゲート,第2のゲート絶縁膜および制御ゲ
    ートと、少なくとも前記制御ゲートの両側面に形成され
    た第3のゲート絶縁膜と、この第3のゲート絶縁膜を挟
    んで前記浮遊ゲートおよび制御ゲートの両側に設けられ
    た第1および第2の選択エピタキシャル層と、第1の選
    択エピタキシャル層に制御ゲートの下面にまで到らない
    深さに形成されるソース領域と、前記第2の選択エピタ
    キシャル層に浮遊ゲートの上面にまで達する深さに形成
    されるドレイン領域とを備えることを特徴とする半導体
    記憶装置。
  2. 【請求項2】半導体基板上に第1ゲート絶縁膜,浮遊ゲ
    ート,第2ゲート絶縁膜および制御ゲートを積層形成す
    る工程と、少なくとも前記制御ゲートの両側面に第3ゲ
    ート絶縁膜を形成する工程と、全面に層間絶縁膜を被着
    した上で、この層間絶縁膜に前記第3ゲート絶縁膜を露
    呈させる開口部をそれぞれ開設する工程と、これらの開
    口部にそれぞれ前記半導体基板につながる第1および第
    2の選択エピタキシャル層を形成する工程と、第1の選
    択エピタキシャル層と第2の選択エピタキシャル層の表
    面にそれぞれ異なる深さの不純物拡散領域を形成してソ
    ース領域とドレイン領域を形成する工程を含むことを特
    徴とする半導体記憶装置の製造方法。
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