JP3613072B2

JP3613072B2 - 不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法

Info

Publication number: JP3613072B2
Application number: JP15479899A
Authority: JP
Inventors: 勉川口; 重光深津; 満孝堅田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-06-02
Filing date: 1999-06-02
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2019-06-02
Also published as: JP2000349174A; US6339557B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、不揮発性半導体メモリの信頼性試験、特に、電荷保持寿命評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フラッシュメモリやＥＰＲＯＭのような不揮発性半導体メモリの構成例を図８に示す。メモリセル１００がマトリックス状に配置され、各メモリセル１００にて多数のビットが構成されている。メモリセル１００の基本構成を図９に示す。半導体基板２０の表層部にセル毎のソース領域２１およびドレイン領域２２が離間して形成され、両領域２１，２２間における半導体基板２０の上にトンネル膜２３を介してフローティングゲート電極（浮遊ゲート電極）２４が配置されるとともに、フローティングゲート電極２４の上に絶縁膜２５を介してコントロールゲート電極（制御ゲート電極）２６が延設され、各セルのドレイン領域２２がビット線に、ソース領域２１がソース線に、コントロールゲート電極２６がワード線にそれぞれ接続されている。
【０００３】
読み出し動作は、図９に示すように、ドレイン領域２２に１〜２ボルトの正電位を与え、ソース領域２１を接地し、コントロールゲート電極２６にＶｃｃを印加し、チャネル電流が流れるか否かを検出することにより行う。
【０００４】
データの書き込みは、図１０に示すように、ドレイン領域２２にＶｃｃを印加し、ソース領域２１を接地し、コントロールゲート電極２６に高い電圧Ｖｐｐ（例えば＋１２ボルト）を印加し、ホットエレクトロンをドレイン付近で発生させ、その発生したホットエレクトロンをフローティングゲート電極２４に注入し、メモリセルの閾値電圧を高くすることにより行われる。つまり、書き込み時には、選択トランジスタのドレイン領域２２には、グランド電位のソース領域２１よりも高い中間電位Ｖｃｃ（例えば５．５ボルト）が印加され、同時に選択トランジスタのコントロールゲート電極２６にはドレイン電位よりも高電位Ｖｐｐ（例えば１２ボルト）を印加することで、ドレイン付近でホットエレクトロンを発生させ、それをフローティングゲート電極２４へ注入する。
【０００５】
また、データの消去は、図１１に示すように、ソース領域２１に正の高電圧（例えば＋１２ボルト）を印加し、コントロールゲート電極２６を接地し、トンネル効果によりフローティングゲート電極２４のエレクトロンをソース領域２１に引き抜くことにより行う。なお、このとき、ドレイン領域２２は開放とする。
【０００６】
また、図１２に示すように、コントロールゲート電極２６に負の高電圧（例えば−８ボルト）を印加し、ソース領域２１と基板２０に正の高電圧（例えば＋１０ボルト）を印加し、トンネル効果によりフローティングゲート電極２４のエレクトロンを基板２０領域に引き抜くことで消去を行うこともある。
【０００７】
一方、このような不揮発性半導体メモリに対し信頼性試験を行っている。その１つとして、電荷保持寿命評価（記憶保持時間試験）がある。フラッシュメモリの正常な電荷保持特性は、例えば１２５℃で、約１０年以上という非常に長い寿命特性を持つ。よって、開発段階において、その寿命評価についても非常に長い時間を要する。そのために、これまでは温度を非常に高くすることで、加速して評価スピードを上げてきた。
【０００８】
しかし、評価雰囲気温度を高くできない場合もある。また、書き換え後の電荷保持寿命を評価する場合、約２５０℃以上の温度では書き換えによるトンネル膜（図９の符号２３）のダメージが回復してしまい書き換え後の正しい電荷保持寿命の評価を行うことができなかった。つまり、加熱加速するとダメージ回復を伴うので、電荷保持寿命評価方法として好ましくない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その第１の目的は、新規な方法にて評価雰囲気温度に関わらず電荷保持寿命の評価を短期間で行うことができる不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法を提供することにある。また、第２の目的は、第１の目的に加えて電荷保持寿命評価を正確に行う、つまり、電荷保持寿命評価を正確、かつ短期間で行うことができる不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法は、トンネル膜に電圧を印加して加速評価するようにしたことを特徴としている。よって、意図的にトンネル膜に電圧を印加して加速評価することにより、電荷保持寿命の評価を短期間で行うことができる。ここで、少なくとも２種類の電圧を印加して、印加が無いときの電荷保持特性を推定すると、実用上好ましい。
【００１１】
また、請求項２に記載のように、トンネル膜に電圧を印加するためにコントロールゲート電極と半導体基板間において、基板よりコントロールゲート電極の電位が低く、かつ、トンネル膜に対する電圧としてメモリ動作時の印加電圧を超えない少なくとも２種類の電圧を印加して電荷保持特性を調べ、この少なくとも２種類の電圧印加時における容量カップリング比からのトンネル膜の電界強度に対する前記電荷保持特性から、コントロールゲート電極と半導体基板間に電圧印加が無いときの電荷保持特性を推定すると、実用上好ましい。
【００１２】
ここで、請求項３に記載のように、前記半導体基板を接地し、コントロールゲート電極に負の電圧を印加すると、実用上好ましいいものとなる。
さらに、請求項４に記載のように、データ書き換えを行った後に電荷保持寿命評価を行う場合に、請求項１〜３のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法は、実用上好ましい。
【００１３】
ここで、請求項５に記載のように、評価雰囲気として、前記データ書き換え時のトンネル膜のダメージが回復しない温度範囲とする。すると、意図的にトンネル膜に電圧を印加して加速評価することにより、トンネル膜の書き換えダメージが回復しない温度雰囲気においても、つまり、２５０℃以上の高温まで加熱加速させなくても電荷保持寿命の評価を短期間で行うことができる。このようにして、トンネル膜のダメージを回復させないために評価を正確にでき、かつ、電圧印加による加速にて評価を短期間で行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１にはフラッシュメモリの平面図を示し、図２には図１のＡ−Ａ断面を示す。
【００１６】
図２に示すように、半導体基板としてのＰ型単結晶シリコン基板１において、Ｐ型シリコン層１ａの上にはＰウェル層１ｂが形成されている。Ｐウェル層１ｂの表層部にはセル毎のＮ^＋型ソース領域（不純物拡散領域）２とＮ^＋型ドレイン領域（不純物拡散領域）３とが離間して形成されている。さらに、Ｐウェル層１ｂにおいて図１に示すようにソース領域２から帯状のＮ^＋型ソース共通線（不純物拡散領域）４が延設され、ソース共通線４にて各メモリセルのソース領域２が結合している。
【００１７】
また、図２に示すように、単結晶シリコン基板１の上には、トンネル膜としての薄いシリコン酸化膜５を介して多結晶シリコンよりなるフローティングゲート電極（浮遊ゲート電極）６が配置され、このフローティングゲート電極６は長方形をなしソース領域２とドレイン領域３との間を通るように延設されている。フローティングゲート電極６の上には絶縁膜としてのシリコン酸化膜（ゲート間絶縁膜）７を介して帯状のコントロールゲート電極（制御ゲート電極）８が配置されている。コントロールゲート電極８は多結晶シリコンよりなり、図１に示すようにソース共通線４と平行に延設されている。
【００１８】
また、図２に示すように、コントロールゲート電極８の周囲を含めた単結晶シリコン基板１上にはシリコン酸化膜９が配置されている。
シリコン酸化膜９の上にはアルミよりなるドレイン用配線１１が配置され、ドレイン用配線１１がコンタクトホール（開口部）１０を通してドレイン領域３と電気的に接続されている。本実施の形態においては、２つのトランジスタセルに共通するドレイン用コンタクトホール１０が設けられている。また、図１に示すように、シリコン酸化膜９に設けたコンタクトホール（開口部）１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂを通してソース用配線（図示略）がソース共通線４と電気的に接続されている。本実施の形態においては、８つのトランジスタセル毎にソース用コンタクトホール１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂが設けられている。
【００１９】
図３には、周辺回路を示す。
Ｘデコーダ１５とＹデコーダ・センスアンプ・書込回路１６を備えている。Ｘデコーダ１５にはワード線１，２，３，・・・，ｎ，ｊにて各セルのコントロールゲート電極８と接続されている。Ｙデコーダ・センスアンプ・書込回路１６にはビット線１，２，３，・・・，ｍ，ｋにて各セルのドレイン領域３と接続されている。また、Ｙデコーダ・センスアンプ・書込回路１６にはソース線１，２，３，・・・，ｍ，ｋにて各セルのソース領域２と接続されている。
【００２０】
フラッシュメモリの作動、つまり、読み出し動作・書き込み動作・消去動作については図９，１０，１１を用いて説明したのと同じであり、ここではその説明は省略する。
【００２１】
次に、このように構成したフラッシュメモリの電荷保持寿命評価方法を説明する。
本例では、１００回のデータ書き換え動作を行い、その後においてトンネル膜５の書き換えダメージが回復しない雰囲気温度で電荷保持寿命評価（試験）を行っている。この評価（試験）は、基板１（Ｐウェル領域１ｂ）の電位をグランド電位にした状態で、コントロールゲート電極８に対し電圧を印加することにより、トンネル膜５に電圧を印加している。これにより加速評価することができる。また、この試験では、閾値電圧Ｖｔの変化を計測することによりリテンション、つまり、電荷保持性を測定している。
【００２２】
以下、評価方法を、図４，５を用いて説明する。図４の横軸は試験での経過時間をとり、縦軸にはリテンション（閾値電圧の変化率）をとっている。
まず、１２５℃の温度のもとでコントロールゲート電極８と基板１との間に、第１の電圧（図４においてはＶｃｇ＝−４ボルト）を印加した状態で放置した場合における経過時間に対するリテンション（閾値電圧の低下率）を測定する。
【００２３】
次に、１２５℃の温度のもとでコントロールゲート電極８と基板１との間に前述の第１の電圧とは異なる第２の電圧（図４においてはＶｃｇ＝−５ボルト）を印加した状態で放置した場合のリテンション（閾値電圧低下率）を測定する。
【００２４】
次に、１２５℃の温度のもとでコントロールゲート電極８と基板１との間に前述の第１，２の電圧とは異なる第３の電圧（図４においてはＶｃｇ＝−６ボルト）を印加した状態で放置した場合のリテンション（閾値電圧低下率）を測定する。
【００２５】
このように、メモリトランジスタにおいて、必要な回数のデータ書き換えを行った後に書き込みを行い、コントロールゲート電極８に−４ボルト，−５ボルト，−６ボルトの３通りの電圧を印加して、それぞれの１２５℃での閾値電圧の変化を測定する。
【００２６】
ここで、コントロールゲート電極８の印加電圧は、フローティングゲート電極６から電子が抜ける方向である負バイアスを印加する。本実施形態では、コントロールゲート電極８と基板１間において、コントロールゲート電極８に対し負の電圧で、かつ、メモリ動作時の印加電圧を超えない３種類の電圧（少なくとも２種類の電圧）を印加している。詳しくは、コントロールゲート電極８への印加電圧は、その時のトンネル膜に印加される電圧が、書き込み、消去、読み出し時にトンネル膜５に印加される電圧よりも小さくする。つまり、電荷保持の加速試験でトンネル膜５に印加される最大電圧を、データ書き換え時にトンネル膜５に印加される最大電圧よりも小さい値にし、評価時にトンネル膜５にダメージが加わらないようにしている。これにより、試験にてトンネル膜５の劣化を生じさせることはない。
【００２７】
また、データ採取（サンプリング）に関して、図４の場合、経過時間が約１分から約２００分の範囲で閾値電圧の計測を行っている。
そして、図４において、コントロールゲートに−４ボルト、−５ボルト、−６ボルトを印加した場合における閾値電圧が９５％まで低下した時の寿命（時間）を求める。以下、閾値電圧が９５％まで低下した時の寿命を９５％リテンション寿命（時間）という。つまり、図４に示すように、コントロールゲート電圧Ｖｃｇ＝−４ボルトを印加した時の各プロット点に近似する曲線Ｌ_Ｖ＝−４をひき、同様に、Ｖｃｇ＝−５ボルトを印加した時の各プロット点に近似する曲線Ｌ_Ｖ＝−５をひき、Ｖｃｇ＝−６ボルトを印加した時の各プロット点に近似する曲線Ｌ_Ｖ＝−６をひき、各曲線Ｌ_Ｖ＝−４，Ｌ_Ｖ＝−５，Ｌ_Ｖ＝−６における、９５％リテンション寿命（時間）を求める。
【００２８】
図４において、９５％リテンション寿命（時間）は、Ｖｃｇ＝−４ボルトでは約３０００時間、Ｖｃｇ＝−５ボルトでは約５００時間、Ｖｃｇ＝−６ボルトでは約８時間である。
【００２９】
以上のようにして、少なくとも２種類の電圧をコントロールゲート電極８に印加して、それぞれの場合の電荷保持特性を測定する。
一方、コントロールゲート電極８に−４ボルト、−５ボルト、−６ボルトを印加したときのトンネル膜５にかかる電界強度を計算する。
【００３０】
詳しくは、図７に示すように、トンネル膜５の電界強度は、容量カップリング比から求める。具体的には、トンネル膜５に印加される電圧をＶ、コントロールゲート電極８とフローティングゲート電極６間の静電容量をＣ１、及びフローティングゲート電極６と基板１間の静電容量をＣ２、フローティングゲート電極６内の電荷量をＱｆとすると、
【００３１】
【数１】

・・・（１）
となる。
【００３２】
Ｃ１，Ｃ２はメモリトランジスタ構造の縦横寸法に大きく依存しており、
【００３３】
【数２】

と記述できる。
【００３４】
ここで、Ｃ１，Ｃ２値はメモリトランジスタの構造により決定でき、Ｑｆ値も決定できる。この（１）式に、Ｖｃｇ値として−４ボルト、−５ボルト、−６ボルトを代入して、各Ｖｃｇ値におけるトンネル膜５の印加電圧を算出する。そして、この値をトンネル膜５の厚さｔで割ると、トンネル膜５の電界強度が求められる。
【００３５】
このようにして、Ｖｃｇ＝−４ボルト，−５ボルト，−６ボルトにおける９５％リテンション寿命（時間）およびトンネル膜５にかかる電界強度が求められる。これを、図５に示すように、プロットする。これにより、トンネル膜５の電界強度に対する電荷保持寿命を表す関係が分かることになる。プロット結果を基に、Ｖｃｇ＝０（印加電圧０ボルトの場合）へ外挿した所における９５％リテンション寿命を算出する。つまり、コントロールゲート電極８への印加電圧が０ボルトでの寿命を算出する。これが、雰囲気温度１２５℃での電荷保持寿命となる。
【００３６】
詳しくは、図５の場合は、Ｖｃｇ＝０の場合のトンネル膜電界強度は２．８ＭＶ／ｃｍであり、各プロット点に最も接近する線Ｌ１をひき、この線Ｌ１でのＶｃｇ＝０のときの９５％リテンション寿命を求める。図５の場合は、印加が無い時の９５％リテンション寿命は約１０００年である。
【００３７】
このように、データ書き換えによるトンネル膜５のダメージが電荷保持寿命の測定中（評価中）に回復することがないような温度（例えば１２５℃）のもとでコントロールゲート電極８に電圧を与えた加速試験にてメモリの電荷保持寿命評価を行うことにより、評価の時間を短期間にすることができ、かつ、ダメージを回復させないため、データ書換え後の電荷保持試験の場合には、正確な評価が可能である。
【００３８】
以下、基板１とコントロールゲート電極８間に電圧を印加しなかった場合を比較しつつ、本実施の形態の有用性を説明していく。
図６は、基板とコントロールゲート電極との間に電圧を印加しなかった場合のリテンション測定結果を示す。尚、図６では雰囲気温度は１７２℃である。
【００３９】
図６は、図４に対応するものであり、経過時間が約７分から約１００００分の範囲で閾値電圧を計測している。図６において８つのプロット点を通過するような線Ｌ２（実線で示す）をひき、外挿にて９５％リテンション寿命＝約３×１０^５分が求められる。
【００４０】
しかしながら、プロット点を通過するような線Ｌ２から外挿にて９５％リテンション寿命を算出するのではなく、直接、９５％リテンション寿命が確認できるまで評価しようとすると、３×１０^５分＝約６．９ヶ月と非常に長い時間がかかってしまう。
【００４１】
また、外挿にて９５％リテンション寿命を求める場合においても、データ採取のために、約１００００分＝約１週間も評価時間をかけることになる。さらに、精度も、外挿になるため、図６に一点鎖線Ｌ３，Ｌ４で示すごとく、その線のひき方によって誤差が発生し、９５％リテンション寿命の算出の際の誤差も大きくなる。
【００４２】
それに比べて、図４の場合においては、コントロールゲート電圧を適当にとれば、評価のための試験時間（サンプリング時間）を１〜２００分程度の範囲とすることができ、その寿命の算出精度に関しても９５％にかなり近いところまでデータを直接得ることができる（サンプリングできる）。また、９５％保持寿命を直接確認する場合でも、図４では試験時間（サンプリング時間）は、約３０００分以下とすることが可能となる。
【００４３】
このようにして、基板１とコントロールゲート電極８間に電圧を印加することにより、短時間で、かつ、ほとんど誤差なく正確に見積もりを行うことが可能となる。
【００４４】
このように、本実施の形態は下記の特徴を有する。
（イ）データ書き換えを行った後に電荷保持寿命評価を行う際に、意図的にトンネル膜５に電圧を印加して加速評価することにより、トンネル膜５の書き換えダメージが回復しない温度雰囲気においても電荷保持寿命の評価を短期間で行うことができる。このようにして、トンネル膜５のダメージを回復させないために評価を正確にでき、かつ、電圧印加による加速にて評価を短期間で行うことができる。
（ロ）より具体的には、少なくとも２種類の電圧を印加して、印加が無いときの電荷保持特性を推定するようにしたので、実用上好ましいものとなる。
（ハ）つまり、図４に示すごとくトンネル膜５に電圧を印加するためにコントロールゲート電極８と基板１間において、基板１を接地し、コントロールゲート電極８に、負の電圧で、かつ、トンネル膜５に印加する電圧としてメモリ動作時の印加電圧を超えない少なくとも２種類の電圧を印加して電荷保持特性を調べ、この少なくとも２種類の電圧印加時における容量カップリング比からのトンネル膜５の電界強度に対する前記電荷保持特性から、図５に示すごとくコントロールゲート電極８への電圧印加が無いとき（コントロールゲート電極８と基板１間に電圧印加が無いとき）の電荷保持特性を推定するようにしたので、実用上好ましいものとなる。
【００４５】
なお、試験の際の電圧印加（トンネル膜５に電圧を印加しながらの評価）は、基板１を接地し、コントロールゲート電極８に負の電圧を印加したが、これに限ることなく、ソース、基板、ドレインに正電圧を印加してもよい。要は、コントロールゲート電極８と基板１間において基板１よりコントロールゲート電極８が低い電圧、つまり、電子を引き抜く方向の電圧であればよい。
【００４６】
また、これまでの説明においては評価雰囲気は、トンネル膜５のダメージが回復しない温度、具体的には１２５℃であったが、トンネル膜５のダメージが回復しない温度としてもっと高い評価雰囲気としてもよい。このように、評価雰囲気として、トンネル膜５のダメージが回復しない温度範囲のうちのより高い温度とすると、トンネル膜５のダメージが回復しない温度範囲のうちのより低い温度で試験を行う時に比べ、更に時間短縮することが可能である。
【００４７】
さらに、これまでの説明においては、データ書き換えを行った後に電荷保持寿命評価を行う場合について述べたが、データ書き換えを行うことなく電荷保持寿命評価を行う場合に適用してもよく、このときには、電荷保持寿命の評価を短期間で行うことができる。また、このときの評価雰囲気温度も任意である。
【００４８】
また、フラッシュメモリの他にも、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＭＮＯＳメモリ等の不揮発性半導体メモリに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態におけるフラッシュメモリの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】周辺回路の電気的構成を示す回路図。
【図４】電荷保持寿命評価方法を説明するための図。
【図５】電荷保持寿命評価方法を説明するための図。
【図６】電荷保持寿命評価方法を説明するための図。
【図７】メモリセルの電気的等価回路を示す図。
【図８】フラッシュメモリのセル配置を示す図。
【図９】読み出し動作を説明するためのメモリの断面図。
【図１０】書き込み動作を説明するためのメモリの断面図。
【図１１】消去動作を説明するためのメモリの断面図。
【図１２】消去動作を説明するためのメモリの断面図。
【符号の説明】
１…Ｐ型単結晶シリコン基板、２…ソース領域、３…ドレイン領域、４…ソース共通線、５…シリコン酸化膜、６…フローティングゲート電極、７…シリコン酸化膜、８…コントロールゲート電極。

Claims

半導体基板の表層部にソース領域およびドレイン領域が離間して形成され、両領域間における半導体基板の上にトンネル膜を介してフローティングゲート電極が配置されるとともに、フローティングゲート電極の上に絶縁膜を介してコントロールゲート電極が配置された不揮発性半導体メモリにおける電荷保持寿命評価方法であって、
前記トンネル膜に少なくとも２種類の電圧を印加して印加が無いときの電荷保持特性を推定することで加速評価するようにしたことを特徴とする不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法。
半導体基板の表層部にソース領域およびドレイン領域が離間して形成され、両領域間における半導体基板の上にトンネル膜を介してフローティングゲート電極が配置されるとともに、フローティングゲート電極の上に絶縁膜を介してコントロールゲート電極が配置された不揮発性半導体メモリにおける電荷保持寿命評価方法であって、
前記トンネル膜に電圧を印加するためにコントロールゲート電極と前記半導体基板間において、前記半導体基板よりコントロールゲート電極の電位が低く、かつ、トンネル膜に対する電圧としてメモリ動作時の印加電圧を超えない少なくとも２種類の電圧を印加して電荷保持特性を調べ、この少なくとも２種類の電圧印加時における容量カップリング比からのトンネル膜の電界強度に対する前記電荷保持特性から、コントロールゲート電極と基板間に電圧印加が無いときの電荷保持特性を推定することで加速評価するようにしたことを特徴とする不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法。
前記半導体基板を接地し、前記コントロールゲート電極に負の電圧を印加するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法。
電荷保持寿命評価は、データ書き換えを行った後に行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法。
評価雰囲気として、前記データ書き換え時のトンネル膜のダメージが回復しない温度範囲としたことを特徴とする請求項４に記載の不揮発性半導体メモリの電荷保持寿命評価方法。