JP3425853B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
の書き込みや消去が可能なメモリセルを有する不揮発性
半導体記憶装置に関する。
1つとして、電気的に情報の書き込み消去が可能なプロ
グラマブル・リード・オンリー・メモリ(EEPRO
M)のなかで、一括消去型のフラッシュメモリが注目さ
れている。このフラッシュメモリセルは、制御ゲートと
チャネルが形成される基板との間に、周囲とは絶縁され
たフローティングゲートを配置したMOSトランジスタ
構成をとっている。そして、フローティングゲートにお
ける電荷の有無により、データの「0」「1」が区別で
きるようにしている。図11は、そのようなフラッシュ
メモリセルとして、縦型のシリコン柱の側壁をチャネル
領域としたトランジスタ構成を示す斜視図および断面図
である。
体基板1101上に柱状部(ピラー)1102が形成さ
れ、このピラー1102上部にドレイン1103が形成
され、ピラー1102下部の半導体基板1101にソー
ス1104が形成されている。また、ピラー1102側
面にゲート絶縁膜1105を介してフローティングゲー
ト1106が形成され、フローティングゲート1106
周囲に、絶縁膜1107を介して制御ゲート1108が
形成されている。そして、層間絶縁膜1109を介して
ビット線となる配線1110がドレイン1103に接続
している。このように、柱状部の上下にソースとドレイ
ンを配置し、柱状部の側部にフローティングゲートと制
御ゲートを形成することで、リード電流を増大させた上
で、平面的にみたときにセルの小型化を可能にでき、メ
モリセルの集積度を向上させることができる。
た従来の縦型のフラッシュメモリセルでは、1つのメモ
リトランジスタで記憶できる情報は、「0」と「1」だ
けである。このため、記憶情報量を増加するためには、
メモリトランジスタの数を増やすしか方法がなく、集積
度を向上させることができなかった。ここで、従来よ
り、回路動作により多値を実現する技術がある。これ
は、フローティングゲートに蓄積する電荷の量を変化さ
せることで、例えば4値を実現するようにしたものであ
る。しかしながら、このようにする場合、例えば、多値
化のために必要な電源の数が増加することになり、チャ
ージポンプ回路などの負担が増加することになる。した
がって、そのような回路を必要とするため、やはり集積
度向上の阻害となる。
実現では、1値あたりのしきい値の分布幅をかなり狭く
設定しなくてはならない。このため、フローティングゲ
ートに注入する電荷の量を厳密に制御する必要があり、
その制御回路や、書き込み時間に負担をかけている。ま
た、この狭いしきい値の分布は、データの保持特性の経
時変化に対する余裕も制限し、信頼性を下げる結果とな
っている。即ち、時間の経過とともに保持電荷量が変化
すると、これに伴い読み出し電流も変化し、記憶したと
きのデータ値と違うデータ値が読み出されることにな
る。
るためになされたものであり、不揮発性半導体記憶装置
が、データ保持の信頼性を下げることなく、安定して動
作する状態で、より高集積化できるようにすることを目
的とする。
体記憶装置は、半導体基板に垂直方向に四角柱状に形成
されたチャネル部と、チャネル部にチャネルが形成され
るようにチャネル部の上位置に形成されたドレインおよ
び下位置に形成されたソースと、チャネル部の側部の一
部にゲート絶縁膜を介して形成された第1のフローティ
ングゲートと、チャネル部の側部の第1のフローティン
グゲートが形成されていない領域に形成された第2のフ
ローティングゲートと、第1,第2のフローティングゲ
ートの外側に絶縁分離膜を介して形成された第1,第2
の制御ゲートとから少なくとも構成された縦型のメモリ
セルを備え、第1のフローティングゲートは、第2のフ
ローティングゲートより面積が広く形成され、第1のフ
ローティングゲートは、チャネル部の隣り合う2つの側
面のみにまたがって形成されるようにした。
参照して説明する。 実施の形態1 図1は、この発明の第1の実施の形態における不揮発性
半導体記憶装置の構成を概略的に示す断面図であり、不
揮発性半導体記憶装置を上部からみたときのものであ
る。また、この図1は、不揮発性半導体記憶装置を構成
する1つのメモリセルを示したものである。この実施の
形態1においては、図1に示すように、柱状部(ピラ
ー:チャネル部)101aの周囲にゲート絶縁膜103
が形成され、その側面にフローティングゲート104a
とフローティングゲート104bが形成されている。そ
して、この実施の形態1では、そのフローティングゲー
ト104aが、フローティングゲート104bより大き
い面積に形成した。また、フローティングゲート104
a,104b周囲に絶縁分離膜105を介し、ワード線
となる制御ゲート106a,106bがそれぞれ形成さ
れ、その周囲が層間絶縁膜107で覆われている。
説明する。まず、図2(a)に示すように、p形の半導
体基板101を例えばドライエッチングすることにより
基板上にピラー101aを形成した後、例えばAsを7
0KeVで5×1015cm-2イオン注入することで、ソ
ース102a、ドレイン102bを形成する。なお、イ
オン注入をした後は、水蒸気雰囲気で950℃に加熱す
ることで40nm程度の膜厚の酸化膜を形成し、窒素雰
囲気で850℃で20分間加熱することで、イオン注入
により形成した不純物領域の活性化を行う。以上のこと
により、ソース102a、ドレイン102bは、不純物
濃度が1020cm-3程度に形成される。そして、その酸
化膜を除去した後、水蒸気雰囲気で850℃に加熱する
ことでゲート絶縁膜103を膜厚10nm程度に形成す
る。
によりゲート絶縁膜103上にポリシリコンを膜厚15
0nm程度に堆積し、これをPOCl3 雰囲気で850
℃程度に加熱することでPを拡散きせ、不純物としてP
が導入されたポリシリコン膜104を形成する。次い
で、公知のフォトリソグラフィ技術によりレジストマス
クを形成し、RIEなどの異方性ドライエッチングで選
択的にポリシリコン膜104を除去することで、図2
(c)に示すように、ピラー101a側面にゲート絶縁
膜103を介して、フローティングゲート104aとフ
ローティングゲート104bとを形成する。このフロー
ティングゲート104a,104bは、平面的にみる
と、図2(c’)に示すように、フローティングゲート
104aの方が面積が広くなるように形成する。
膜105を形成した後、CVD法によりポリシリコンを
膜厚150nm程度に堆積し、これをPOCl3 雰囲気
で850℃程度に加熱することでPを拡散させ、次い
で、スパッタ法によりWSi膜を150nmほど堆積
し、ポリサイド膜106を形成する。ここで、絶縁分離
膜105は、例えば、SiO2、SiN,SiO2 の3
層構造とする。また、ポリサイド膜106は、上述した
ように、ポリシリコンとWSiからなる2層構造となっ
ている。次に、公知のフォトリソグラフィ技術によりレ
ジストマスクを形成し、RIEなどの異方性ドライエッ
チングで選択的にポリサイド膜106を除去すること
で、図3(e)に示すように、制御ゲート106a,1
06bを形成する。
面的にみると、図3(e’)に示すように形成される。
すなわち、フローティングゲート104aはピラー10
1aと制御ゲート106aに挟まれ、フローティングゲ
ート104bはピラー101aと制御ゲート106bに
はさまれた構造となっている。そして、例えば、制御ゲ
ート106aとピラー101aとの間に、フローティン
グゲート104bが存在することはない。次に、図3
(f)に示すように、層間絶縁膜107を形成し、ピラ
ー101a上にコンタクトホールを形成した後、コンタ
クトホールの底部に露出したピラー101a上部に窒化
チタンからなるバリアメタルを形成する。そしてこの
後、図3(g)に示すように、タングステンからなるプ
ラグ108を埋め込み、アルミニウムからなる配線層1
09を形成する。この配線層109が、ビット線とな
る。
ルに、面積比が約2:1となるフローティングゲート1
04aとフローティングゲート104bを備え、それぞ
れに制御ゲート106a,106bが備えられた、フラ
ッシュメモリが得られる。このように、この実施の形態
1では、1つのメモリセルに面積の異なるフローティン
グゲートを2つ備えるようにしたので、以下に示すよう
に多値動作をすることが可能となる。
図1および図4(a)に示す制御ゲート106aに接続
するCG1に+16V、制御ゲート106bに接続する
CG2に+16Vをの電位を印加し、また、ソース10
2a,ドレイン102b,半導体基板101はともに0
Vにすることで、消去を行う。このように、制御ゲート
106a,106bに+16V程度の電圧を印加するこ
とで、図4に示すフローティングゲート104a,10
4b両方に電子が注入され、図4(b)に示すように、
消去状態「11」が得られる。なお、この実施の形態1
において、全てのフィローティングゲートから電子が無
くなった「00」を消去状態とすることも可能である。
ンネル電流による書き込みに関して説明する。例えば、
図1および図4(a)に示す、フローティングゲート1
04bのみに「0」を書き込む場合、制御ゲート106
aに接続するCG1に+4V、制御ゲート106bに接
続するCG2に−9V、ドレイン102bに+4Vをの
電位を印加し、そして、半導体基板とソース102aを
0Vとする。すなわち、ドレイン102bと制御ゲート
106aに電位を印加することでこのメモリセルを選択
し、制御ゲー卜106bとドレイン102bとの間に最
大の電位差を形成し、制御ゲート106aとドレイン1
02bとの間の電位差はそれより少なくする。この結
果、フローティングゲート104bからのみ電子が半導
体基板側に押し出され、図4(b)に示すように、「1
0」の書き込み状態が得られる。
に「0」を書き込む場合、CG1に−9V,CG2に+
4V、ドレイン102bに+4Vの電位を印加し、そし
て、半導体基板とソース102aを0Vとする。この結
果、フローティングゲート104aからのみ電子が半導
体基板101側に押し出され、図4(b)に示すよう
に、「01」の書き込み状態が得られる。また、フロー
ティングゲート104aと104bの両方に「0」を書
き込む場合、CG1に−9V,CG2に−9V、ドレイ
ン102bに+4Vの電位を印加し、そして、半導体基
板101とソース102aを0Vとする。この結果、フ
ローティングゲート104aおよびフローティングゲー
ト104bから電子が半導体基板側に押し出され、図4
(b)に示すように、「00」の書き込み状態が得られ
る。なお、消去状態を「00」とした場合でも、トンネ
ル電流による書き込みが可能である。
を1Vとした状態で、制御ゲート106a,bに3.3
Vを印加すればよい。そして、図4(b)に示すよう
に、メモリセルに「00」が書き込まれていれば、ドレ
イン電流としてId0が得られ、メモリセルに「11」
が書き込まれていれば、ドレイン電流が流れない。そし
て、フローティングゲート104aはフローティングゲ
ート104bに比較して面積が大きいので、「01」の
状態と「10」の状態とでは、ドレイン電流が異なる。
このため、メモリセルに「01」が書き込まれていれ
ば、ドレイン電流としてId1が得られ、また、メモリ
セルに「10」が書き込まれていれば、ドレイン電流と
してId2が得られる。
ャネルホットエレクトロンによる書き込みに関して説明
する。例えば、フローティングゲート104bのみに
「1」を書き込む場合、制御ゲート106aに接続する
CG1を0Vとし、制御ゲート106bに接続するCG
2に12V、ドレイン102bに6Vの電位を印加し、
そして、半導体基板101とソース102aを0Vとす
る。(図4(a))。すなわち、ドレイン102bと制
御ゲート106bに電位を印加することでこのメモリセ
ルを選択し、制御ゲート106bとピラー101a(基
板)との間に最大の電位差を形成し、制御ゲート106
aとドレイン102bとの間の電位差はそれより少なく
する。この結果、フローティングゲート104bのみに
電子が注入され、図4(b)に示すように、「01」の
書き込み状態が得られる。
に「1」を書き込む場合、CG1に12V,CG2を0
Vとし、ドレイン102bに6Vの電位を印加し、そし
て、半導体基板101とソース102aを0Vとする。
この結果、フローティングゲート104aのみに電子が
注入され、図4(b)に示すように、「10」の書き込
み状態が得られる。また、フローティングゲート104
aと104bの両方に「1」を書き込む場合、CG1に
12V,CG2に12V、ドレイン102bに6Vの電
位を印加し、そして、半導体基板101とソース102
aを0Vとする。この結果、フローティングゲート10
4aおよびフローティングゲート104bに電子が注入
され、図4(b)に示すように、「11」の書き込み状
態が得られる。
れば、1つのメモリセルにおいて、4値をとることがで
きる。したがって、メモリセルを増やすことなく、記憶
できる情報量が増やせることになる。また、メモリセル
自身の構造により多値を実現するようにしているので、
回路動作による多値化をする必要がなく、周辺回路への
負担が減少する。そして、この実施の形態1における不
揮発性半導体記憶装置では、2組のフローティングゲー
トおよび制御ゲートを、ソース・ドレイン方向に配置す
るようにはしていない。このため、ソース・ドレイン方
向で2つのフローティングゲート間に隙間が発生するこ
とがないので、チャネル抵抗が高くなってしまうという
問題が発生しない。
御はドレインおよび制御ゲートで行うようにしている。
このため、まず書き込み制御は小電流で行える、また、
隣り合うメモリセル間でソースを共有することが可能と
なり、この間を素子分離する必要がない。そして、この
実施の形態1では、1つのメモリセル内に用意した2つ
のフローティングゲートの内容を一度に読み出すことが
できるので、読み出し速度の向上が図れる。
リセルに備える2つのフローティングゲートが異なる面
積となるようにしたが、これに限るものではない。1つ
のメモリセルに同じ面積の2つのフローティングゲート
を備えるようにしてもよい、この場合、上述した「0
1」と「10」は読み出し時には同じドレイン電流とな
るので、1つのメモリセルで3値をとることが可能とな
る。また、上記実施の形態1において、2つのフローテ
ィングゲートの面積を1:2とすることで、より安定し
た読み出しが可能となる。すなわち、2つのフローティ
ングゲートの面積を1:2とすることで、前述した「0
0」、「01」、「10」、「11」の間の読み出しド
レイン電流差を、それぞれ等間隔とすることが可能とな
るからである。
導体記憶装置に関して説明する。この実施の形態2にお
いては、図5に示すように、p形の半導体基板501上
に形成された柱状部(ピラー:チャネル部)501aの
周囲にゲート絶縁膜503が形成され、その側面にフロ
ーティングゲート504aとフローティングゲート50
4bが形成されている。そして、この実施の形態2にお
いては、半導体基板501のピラー501a形成部周囲
にソース502aが形成されている。また、ピラー50
1a上部には、フローティングゲート504a側にドレ
イン502bが形成され、フローティングゲート504
b側にドレイン502b’が形成されている。すなわ
ち、この実施の形態2においては、ピラー501a上部
において、ドレインが分割されている。
ローティングゲート504a,504b周囲に絶縁分離
膜505を介し、ワード線となる制御ゲート506が形
成され、その周囲上部が層間絶縁膜507で覆われてい
る。すなわち、この実施の形態2においては、ピラー5
01a周囲において、制御ゲートが分割されずに1つ形
成された状態となっている。そして、2つに分けたドレ
イン502b,502b’には、層間絶縁膜507上
に、図5(b)の平面図に示すように、それぞれコンタ
クトプラグ508a,508bを介し、それぞれにビッ
ト線509a,509bが接続されている。なお、この
実施の形態2でも、そのフローティングゲート504a
が、フローティングゲート504bより大きい面積に形
成した。なお、図5(a)は、図5(b)のAA’断面
である。
2においては、1つのメモリセルに、面積比が約2:1
となるフローティングゲート504aとフローティング
ゲート504bを備え、それぞれにドレイン502bと
ドレイン502b’が備えられたフラッシュメモリが得
られる。そして、この実施の形態2においても、上記実
施の形態1と同様に、1つのメモリセルに面積の異なる
フローティングゲートを2つ備えるようにしたので、以
下に示すように多値動作をすることが可能となる。
図5(b)に示す制御ゲート506に16Vを印加し、
また、ソース502a,2つのドレイン502b,50
2b’半導体基板501はともに0Vにすることで消去
を行う。このように、制御ゲートに16V程度の電圧を
印加することで、フローティングゲート502b,50
2b’両方に電子が注入され、図4(b)に示すよう
に、消去状態「11」が得られる。なお、この実施の形
態2においても、上記実施の形態1と同様に、全てのフ
ィローティングゲートから電子が無くなった状態「0
0」を消去状態とすることも可能である。
ンネル電流による書き込みに関して説明する。例えば、
フローティングゲート504bのみに「0」を書き込む
場合、制御ゲート506に−9V、ドレイン502b’
すなわちビット線509bに+4Vの電位を印加し、そ
して、半導体基板501とソース502aとドレイン5
02bとを0Vとする。すなわち、ドレイン502b’
と制御ゲート506に電位を印加することでこのメモリ
セルを選択し、制御ゲート506とドレイン502b’
との間に最大の電位差を形成する。この結果、フローテ
ィングゲート504bからのみ電子が半導体基板501
側に押し出され、図4(b)に示すように、「10」の
書き込み状態が得られる。
に「0」を書き込む場合、制御ゲート506に−9V、
ドレイン502bに+4Vの電位を印加し、そして、半
導体基板501とソース502aとドレイン502b’
とを0Vとする。この結果、フローティングゲート50
4aからのみ電子が半導体基板501側に押し出され、
図4(b)に示すように、「01」の書き込み状態が得
られる。
04bの両方に「0」を書き込む場合、制御ゲート50
6に−9V、ドレイン502bおよびドレイン502
b’に+4Vの電位を印加し、そして、半導体基板50
1とソース502aを0Vとする。この結果、フローテ
ィングゲート504aおよびフローティングゲート50
4bから電子が半導体基板501側に押し出され、図4
(b)に示すように、「00」の書き込み状態が得られ
る。なお、消去状態を「00」とした場合でも、トンネ
ル電流による書き込みは可能である。
を1V,ソース電圧を0Vとした状態で、制御ゲート5
06に3.3Vを印加すればよい。そして、図4(b)
に示すように、メモリセルに「00」が書き込まれてい
れば、ドレイン電流としてId0が得られ、メモリセル
に「11」が書き込まれていれば、ドレイン電流が流れ
ない。そして、フローティングゲート504aはフロー
ティングゲート504bに比較して面積が大きいので、
「01」の状態と「10」の状態とでは、ドレイン電流
が異なる。このため、メモリセルに「01」が書き込ま
れていれば、ドレイン電流としてId1が得られ、ま
た、メモリセルに「10」が書き込まれていれば、ドレ
イン電流としてId2が得られる。
いても、1つのメモリセルにおいて、4値をとることが
できる。したがって、メモリセルを増やすことなく、記
憶できる情報量が増やせることになる。また、この実施
の形態2においても、メモリセル自身の構造により多値
を実現するようにしているので、回路動作による多値化
をする必要がなく、周辺回路への負担を減少させること
ができる。そして、この実施の形態2における不揮発性
半導体記憶装置においても、2組のフローティングゲー
トおよび制御ゲートを、ソース・ドレイン方向に直列に
配置するようにはしていない。このため、ソース・ドレ
イン方向で2つのフローティングゲート間に隙間が発生
することがないので、チャネル抵抗が高くなってしまう
という問題が発生しない。
有することが可能となり、この間を素子分離する必要が
ない。そして、この実施の形態2では、ソース側に読み
出し用のセンスアンプ(図示せず)を設けるようにすれ
ば、1つのメモリセル内に用意した2つのフローティン
グゲートの内容を一度に読み出すことができるので、読
み出し速度の向上が図れる。
リセルに備える2つのフローティングゲートが異なる面
積となるようにしたが、これに限るものではない。1つ
のメモリセルに同じ面積の2つのフローティングゲート
を備えるようにしてもよい。この場合、上述した「0
1」と「10」は読み出し時には同じドレイン電流とな
るので、1つのメモリセルで3値をとることが可能とな
る。但し、ドレイン側に読み出し用のセンスアンプ2つ
を設けるようにすれば、1つのメモリセル内に用意した
2つのフローティングゲートの内容を別々に読み出すこ
とができるので、フローティングゲートの面積が同じで
あっても4値(2値×2FG)を判定できる。また、こ
の実施の形態2においても、2つのフローティングゲー
トの面積を1:2とすることで、より安定した読み出し
が可能となる。すなわち、2つのフローティングゲート
の面積を1:2とすることで、前述した「00」、「0
1」、「10」、「11」の間の読み出しドレイン電流
差を、それぞれ等間隔とすることができるからである。
導体記憶装置に関して説明する。この実施の形態3にお
いては、図6に示すように、p形の半導体基板601上
に形成された柱状部(ピラー:チャネル部)601aの
周囲にゲート絶縁膜603が形成され、その側面にフロ
ーティングゲート604aとフローティングゲート60
4bが形成されている。これは、上記実施の形態1,2
と同様である。そして、この実施の形態3においては、
半導体基板601のピラー601a形成部周囲に、フロ
ーティングゲート604a側にソース602aが形成さ
れ、フローティングゲート604b側にソース602
a’が形成されている。すなわち、この実施の形態3に
おいては、ソースが分割されている。なお、ピラー60
1a上部には、ドレイン602bが形成されている。
ローティングゲート604a,604b周囲に絶縁分離
膜605を介し、ワード線となる制御ゲート606が形
成され、その周囲上部が層間絶縁膜607で覆われてい
る。すなわち、この実施の形態3においては、ピラー6
01a周囲において、制御ゲートが分割されずに1つ形
成された状態となっている。また、ドレイン602aに
は、層間絶縁膜607上に、コンタクトプラグ608を
介してビット線609が接続されている。なお、この実
施の形態3でも、そのフローティングゲート604a
が、フローティングゲート604bより大きい面積に形
成した。
3においては、1つのメモリセルに、面積比が約2:1
となるフローティングゲート604aとフローティング
ゲート604bを備え、それぞれにソース602aとソ
ース602a’が備えられたフラッシュメモリが得られ
る。そして、この実施の形態3においても、上記実施の
形態1,2と同様に、1つのメモリセルに面積の異なる
フローティングゲートを2つ備えるようにしたので、以
下に示すように多値動作をすることが可能となる。
図6に示す制御ゲート606に16Vを印加し、また、
2つのソース602a,602a’,ドレイン602
b,半導体基板601はともに0Vにすることで消去を
行う。このように、制御ゲート606に16V程度の電
圧を印加することで、フローティングゲート604a,
604b両方に電子が注入され、図4(b)に示すよう
に、消去状態「11」が得られる。なお、この実施の形
態3においても、上記実施の形態1,2と同様に、全て
のフローティングゲートにおいて、電子が無くなった状
態「00」を消去状態とすることも可能である。
ンネル電流による書き込みに関して説明する。例えば、
フローティングゲート604bのみに「0」を書き込む
場合、制御ゲート606に−9V、ソース602a’に
+4Vを印加し、また、ドレイン602bすなわちビッ
ト線609を0V、そして、半導体基板601とソース
602aを0Vとする。すなわち、ソース602a’と
制御ゲート606に電位を印加することでこのメモリセ
ルを選択し、制御ゲート606とソース602a’との
間に最大の電位差を形成する。この結果、フローティン
グゲート604bからのみ電子が半導体基板601側に
押し出され、図4(b)に示すように、「10」の書き
込み状態が得られる。
に「0」を書き込む場合、制御ゲート606に−9V、
ソース602aに+4Vを印加し、また、ドレイン60
2bを0V、そして、半導体基板601とソース602
a’を0Vとする。この結果、フローティングゲート6
04aからのみ電子が半導体基板601側に押し出さ
れ、図4(b)に示すように、「01」の書き込み状態
が得られる。
04bの両方に「0」を書き込む場合、制御ゲート60
6に−9V、また、ソース602aとソース602a’
ともに+4Vの電位を印加し、そして、ドレイン602
bおよび半導体基板601を0Vとする。この結果、フ
ローティングゲート604aおよびフローティングゲー
ト604bから電子が半導体基板601側に押し出さ
れ、図4(b)に示すように、「00」の書き込み状態
が得られる。なお、消去状態を「11」とした場合で
も、トンネル電流による書き込みは可能である。
を1Vとした状態で、制御ゲート606に3.3Vを印
加すればよい。そして、図4(b)に示すように、メモ
リセルに「00」が書き込まれていれば、ドレイン電流
としてId0が得られ、メモリセルに「11」が書き込
まれていれば、ドレイン電流が流れない。そして、フロ
ーティングゲート604aはフローティングゲート60
4bに比較して面積が大きいので、「01」の状態と
「10」の状態とでは、ドレイン電流が異なる。このた
め、メモリセルに「01」が書き込まれていれば、ドレ
イン電流としてId1が得られ、また、メモリセルに
「10」が書き込まれていれば、ドレイン電流としてI
d2が得られる。
いても、1つのメモリセルにおいて、4値をとることが
できる。したがって、メモリセルを増やすことなく、記
憶できる情報量が増やせることになる。また、メモリセ
ル自身の構造により多値を実現するようにしているの
で、回路動作による多値化をする必要がなく、周辺回路
への負担が減少する。そして、この実施の形態3におけ
る不揮発性半導体記憶装置においても、2組のフローテ
ィングゲートおよび制御ゲートを、ソース・ドレイン方
向に直列に配置するようにはしていない。このため、ソ
ース・ドレイン方向で2つのフローティングゲート間に
隙間が発生することがないので、チャネル抵抗が高くな
ってしまうという問題が発生しない。また、この実施の
形態3では、ドレイン側に読み出し用のセンスアンプ
(図示せず)を設けるようにすれば、1つのメモリセル
内に用意した2つのフローティングゲートの内容を一度
に読み出すことができるので、読み出し速度の向上が図
れる。
のメモリセルに備える2つのフローティングゲートが異
なる面積となるようにしたが、これに限るものではな
い。1つのメモリセルに同じ面積の2つのフローティン
グゲートを備えるようにしてもよい。この場合、上述し
た「01」と「10」は読み出し時には同じドレイン電
流となるので、1つのメモリセルで3値をとることが可
能となる。但し、ソース側に読み出し用のセンスアンプ
2つを設けるようにすれば、1つのメモリセル内に用意
した2つのフローティングゲートの内容を別々に読み出
すことができるので、フローティングゲートの面積が同
じであっても4値(2値×2FG)を判定できる。ま
た、この実施の形態3においても、2つのフローティン
グゲートの面積を1:2とすることで、より安定した読
み出しが可能となる。すなわち、2つのフローティング
ゲートの面積を1:2とすることで、前述した「0
0」、「01」、「10」、「11」の間の読み出しド
レイン電流差を、それぞれ等間隔とすることができるか
らである。
導体記憶装置に関して説明する。この実施の形態4にお
いては、図7に示すように、p形の半導体基板701上
に形成された柱状部(ピラー:チャネル部)701aの
周囲にゲート絶縁膜703が形成され、その周囲上部に
フローティングゲート704a、その周囲下部にフロー
ティングゲート704bが形成されている。すなわち、
この実施の形態4においては、まず、ピラー701aの
下部に、その周囲を取り巻くようにフローティングゲー
ト704bが形成されている。また、ピラー701aの
上部に、その周囲を取り巻くようにフローティングゲー
ト704aが形成されている。そして、フローティング
ゲート704aとフローティングゲート704bとは、
それぞれ他とは絶縁分離されている。
形成部周囲にソース702aが形成されている。また、
ピラー701a上部にはドレイン702bが形成されて
いる。また、フローティングゲート704a,704b
周囲に絶縁分離膜705を介し、ワード線となる制御ゲ
ート706が形成され、その周囲上部が層間絶縁膜70
7で覆われている。すなわち、この実施の形態4におい
ては、ピラー701a周囲において、制御ゲートが分割
されずに1つ形成された状態となっている。そして、ド
レイン702には、層間絶縁膜707上に、コンタクト
プラグ708を介してビット線709が接続されてい
る。なお、この実施の形態4でも、フローティングゲー
ト704aが、フローティングゲート704bより大き
い面積に形成した。
4においては、1つのメモリセルに、半導体基板701
平面の垂直方向に分割され、面積比が約2:1となるフ
ローティングゲート704aとフローティングゲート7
04bを備えたフラッシュメモリが得られる。そして、
この実施の形態4においても、上記実施の形態1と同様
に、1つのメモリセルに面積の異なるフローティングゲ
ートを2つ備えるようにしたので、以下に示すように多
値動作をすることが可能となる。
す制御ゲート706に16Vを印加し、また、ソース7
02a,ドレイン702b,半導体基板701はともに
0Vにすることで消去を行う。このように、制御ゲート
706に16V程度の電圧を印加することで、フローテ
ィングゲート704a,704b両方に電子が注入さ
れ、図4(b)に示すように、消去状態「11」が得ら
れる。なお、この実施の形態4においても、上記実施の
形態1と同様に、全てのフィローティングゲートから電
子が無くなった「00」を消去状態とすることも可能で
ある。
ンネル電流による書き込みに関して説明する。例えば、
フローティングゲート704bのみに「0」を書き込む
場合、制御ゲート706に−9V、ドレイン702bす
なわちビット線709に−4V、そして、ソース702
aに+4Vの電位を印加し、また、半導体基板701を
0Vとする。すなわち、ドレイン702bと制御ゲート
706に電位を印加することでこのメモリセルを選択
し、制御ゲート706とソース702aの間に、一番高
い電位差を形成する。この結果、フローティングゲート
704bからのみ電子が半導体基板701側に押し出さ
れ、図4(b)に示すように、「10」の書き込み状態
が得られる。
に「0」を書き込む場合、制御ゲート706に−9V、
ドレイン702bに+4V、そして、ソース702aに
−4Vの電位を印加し、また、半導体基板701を0V
とする。この結果、フローティングゲート704aから
のみ電子が半導体基板701側に押し出され、図4
(b)に示すように、「01」の書き込み状態が得られ
る。
04bの両方に「0」を書き込む場合、制御ゲート70
6に−9V、ソース702aおよびドレイン702bに
+4Vの電位を印加し、そして、半導体基板701を0
Vとする。この結果、フローティングゲート704aお
よびフローティングゲート704bから電子が半導体基
板701側に押し出され、図4(b)に示すように、
「00」の書き込み状態が得られる。なお、消去状態を
「00」とした場合でも、トンネル電流による書き込み
が可能である。
を1Vとした状態で、制御ゲート706に3.3Vを印
加すればよい。そして、図4(b)に示すように、メモ
リセルに「00」が書き込まれていれば、ドレイン電流
としてId0が得られ、メモリセルに「11」が書き込
まれていれば、ドレイン電流が流れない。そして、フロ
ーティングゲート704aはフローティングゲート70
4bに比較して面積が大きいので、「01」の状態と
「10」の状態とでは、ドレイン電流が異なる。このた
め、メモリセルに「01」が書き込まれていれば、ドレ
イン電流としてId1が得られ、また、メモリセルに
「10」が書き込まれていれば、ドレイン電流としてI
d2が得られる。
いても、1つのメモリセルにおいて、4値をとることが
できる。したがって、メモリセルを増やすことなく、記
憶できる情報量が増やせることになる。また、メモリセ
ル自身の構造により多値を実現するようにしているの
で、回路動作による多値化をする必要がなく、周辺回路
への負担が減少する。そして、この実施の形態4では、
1つのメモリセル内に用意した2つのフローティングゲ
ートの内容を一度に読み出すことができるので、読み出
し速度の向上が図れる。
リセルに備える2つのフローティングゲートが異なる面
積となるようにしたが、これに限るものではない。1つ
のメモリセルに同じ面積の2つのフローティングゲート
を備えるようにしてもよい。この場合、2つのフローテ
ィングゲートにおけるチャネルの不純物濃度を同一にし
た場合、上述した「01」と「10」は読み出し時には
同じドレイン電流となるので、1つのメモリセルで3値
をとることが可能となる。また、その2つのチャネルの
不純物濃度を変えることで、フローティングゲートの面
積が同一でも、4値をとることが可能となる。また、こ
の実施の形態4においても、2つのフローティングゲー
トの面積を1:2とすることで、より安定した読み出し
が可能となる。すなわち、2つのフローティングゲート
の面積を1:2とすることで、前述した「00」、「0
1」、「10」、「11」の間の読み出しドレイン電流
差を、それぞれ等間隔とすることができるからである。
導体記憶装置に関して説明する。以下、はじめにそのメ
モリセルの製造方法に関して説明する。まず、図8
(a)に示すように、半導体基板801にBをイオン注
入することでp形とする。次に、図8(b)に示すよう
に、半導体基板801の所定位置をドライエッチングす
ることにより穴801aを形成する。例えばAsを70
KeVで5×1015cm-2イオン注入することで、ソー
ス802a、ドレイン802bを形成する。なお、イオ
ン注入をした後は、水蒸気雰囲気で950℃に加熱する
ことで40nm程度の膜厚の酸化膜を形成し、窒素雰囲
気で850℃で20分間加熱することで、イオン注入に
より形成した不純物領域の活性化を行う。以上のことに
より、ソース802a、ドレイン802bは、不純物濃
度が1020cm-3程度に形成される。
(d)に示すように、水蒸気雰囲気で850℃に加熱す
ることでゲート絶縁膜803を膜厚80nm程度に形成
し、この上に、CVD法によりポリシリコンを膜厚15
0nm程度に堆積し、これをPOCl3 雰囲気で850
℃程度に加熱することでPを拡散させ、不純物としてP
が導入されたポリシリコン膜804を形成する。次い
で、公知のフォトリソグラフィ技術によりレジストマス
クを形成し、RIEなどの異方性ドライエッチングで選
択的にポリシリコン膜804を除去することで、図9
(e)に示すように、穴801a側面にゲート絶縁膜8
03を介して、フローティングゲート804aとフロー
ティングゲート804bとを形成する。なお、フローテ
ィングゲート804aの方が面積が広くなるように形成
する。
膜805を形成した後、CVD法によりポリシリコンを
膜厚150nm程度に堆積し、これをPOCl3 雰囲気
で850℃程度に加熱することでPを拡散させ、次い
で、スパッタ法によりWSi膜を150nmほど堆積
し、ポリサイド膜806を形成する。ここで、絶縁分離
膜805は、例えば、SiO2 、SiN,SiO2 の3
層構造とする。また、ポリサイド膜806は、上述した
ように、ポリシリコンとWSiからなる2層構造となっ
ている。次に、公知のフォトリソグラフィ技術によりレ
ジストマスクを形成し、RIEなどの異方性ドライエッ
チングで選択的にポリサイド膜806を除去すること
で、図10(g)に示すように、制御ゲート806a,
806bを形成する。
804bおよび制御ゲート806a,806bは、平面
的にみると、図10(h)に示すように形成される。す
なわち、フローティングゲート804aは、穴801a
内でその側壁と制御ゲート806aに挟まれ、フローテ
ィングゲート804bは穴801a側壁と制御ゲート8
06bにはさはれた構造となっている。そして、例え
ば、制御ゲート806aと穴801a側壁との間に、フ
ローティングゲート804bが存在することはない。そ
して、上述したように制御ゲート806a,806bを
形成した後、その上に平坦に層間絶縁膜を形成した後、
ドレイン802bに接続してビット線を形成し、制御ゲ
ート806a,806bそれぞれに接続するワード線を
接続する。
様に、この実施の形態5においても、1つのメモリセル
に、面積比が約2:1となるフローティングゲート80
4aとフローティングゲート804bを備え、それぞれ
に制御ゲート806a,806bが備えられた、フラッ
シュメモリが得られる、このように、この実施の形態5
においても、1つのメモリセルに面積の異なるフローテ
ィングゲートを2つ備えるようにしたので、前述した実
施の形態1と同様に、多値動作をすることが可能とな
る。そして、上記実施の形態1と同様の効果を奏するも
のである。
のメモリセルに備える2つのフローティングゲートが異
なる面積となるようにしたが、これに限るものではな
い。1つのメモリセルに同じ面積の2つのフローティン
グゲートを備えるようにしてもよい。この場合、上述し
た「01」と「10」は読み出し時には同じドレイン電
流となるので、1つのメモリセルで3値をとることが可
能となる。そして、上述した実施の形態5に示したよう
に、2つのフローティングゲートの面積を1:2とする
ことで、より安定した読み出しが可能となる。すなわ
ち、2つのフローティングゲートの面積を1:2とする
ことで、前述した「00」、「01」、「10」、「1
1」の間の読み出しドレイン電流差を、それぞれ等間隔
とすることができるからである。
導体基板上に垂直方向に四角柱状に形成されたチャネル
部と、チャネル部にチャネルが形成されるようにチャネ
ル部の上位置に形成されたドレインおよび下位置に形成
されたソースと、チャネル部の側部の一部にゲート絶縁
膜を介して形成された第1のフローティングゲートと、
チャネル部の側部の第1のフローティングゲートが形成
されていない領域に形成された第2のフローティングゲ
ートと、第1,第2のフローティングゲートの外側に絶
縁分離膜を介して形成された第1,第2の制御ゲートと
から少なくとも構成された縦型のメモリセルを備え、第
1のフローティングゲートは、第2のフローティングゲ
ートより面積が広く形成され、第1のフローティングゲ
ートは、チャネル部の隣り合う2つの側面のみにまたが
って形成されるようにした。
2のフローティングゲートにおける電子の有無により、
チャネル部に形成されるチャネルに、2つ以上の状態が
形成できることになる。したがって、この発明によれ
ば、1つのメモリセルにおいて、3値以上をとることが
可能となり、メモリセルの数を増加させることなく、記
憶情報量を増やせるようになるという効果がある。ま
た、回路動作による多値化ではないため、1つのフロー
ティングゲートに蓄積する電荷の量を厳密に制御する必
要などがなく、メモリセルの周辺回路に対して負担をか
けることがない。また、この発明によれば、1つのメモ
リセル内に用意した2つのフローティングゲートの内容
を一度に読み出すことができるので、読み出し速度の向
上が図れる。
性半導体記憶装置の構成を概略的に示す上部からみた断
面図である。
性半導体記憶装置の製造方法を示す説明図である。
おける不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す説明図
である。
読み書きに関して説明するための説明図である。
性半導体記憶装置の構成を概略的に示す断面図と平面図
である。
性半導体記憶装置の構成を概略的に示す断面図である。
性半導体記憶装置の構成を概略的に示す断面図である。
性半導体記憶装置の製造方法を示す説明図である。
おける不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す説明図
である。
における不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す説明
図である。
例の概略構成を示す断面図および平面図である。
02a…ソース、102b…ドレイン、103…ゲ一ト
絶縁膜、104a,104b…フローティングゲート、
105…絶縁分離膜、106a,106b…制御ゲー
ト、107…層間絶縁膜、108…プラグ、109…配
線層。
Claims (5)
- 【請求項1】 半導体基板に垂直方向に四角柱状に形成
されたチャネル部と、 前記チャネル部にチャネルが形成されるようにチャネル
部の上位置に形成されたドレインおよび下位置に形成さ
れたソースと、 前記チャネル部の側部の一部にゲート絶縁膜を介して形
成された第1のフローティングゲートと、 前記チャネル部の側部の前記第1のフローティングゲー
トが形成されていない領域に形成された第2のフローテ
ィングゲートと、 前記第1のフローティングゲートの外側に絶縁分離膜を
介して形成された第1の制御ゲートと、 前記第2のフローティングゲートの外側に絶縁分離膜を
介して形成された第2の制御ゲートと、 から少なくとも構成された縦型のメモリセルを備え、 前記第1のフローティングゲートは、前記第2のフロー
ティングゲートより面積が広く形成され、 前記第1のフローティングゲートおよび第1の制御ゲー
トは、前記チャネル部の隣り合う2つの側面のみにまた
がって形成されたことを特徴とする不揮発性半導体記憶
装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置
において、 前記第1のフローティングゲートは、前記第2のフロー
ティングゲートの2倍の面積に形成されていることを特
徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の不揮発性半導体
記憶装置において、 前記第1のフローティングゲートと前記第2のフローテ
ィングゲートそれぞれの一部は、絶縁膜を介して前記チ
ャネル部の側部における前記ドレイン領域上に延びてい
ることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項4】 請求項1〜3いずれか1項記載の不揮発
性半導体記憶装置において、 前記ドレインは、前記第1のフローティングゲート側に
形成された第1のドレインと、前記第2のフローティン
グゲート側に形成された第2のドレインとから構成され
ていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項5】 請求項1〜4いずれか1項記載の不揮発
性半導体記憶装置において、 前記ソースは、前記第1のフローティングゲート側に形
成された第1のソースと、前記第2のフローティングゲ
ート側に形成された第2のソースとから構成されている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
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