JP3649751B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体記憶装置に関するものであり、特にその省電力化に関する。
【0002】
【従来の技術】
今日、セルアレイ中のコンタクトが不要で、セルの縮小化が図れる仮想グランドアレイ構造のフラッシュメモリが知られている。仮想グランドアレイ構造とは、メモリセルをマトリックス状に配置する際、あるメモリセルのソース領域と、前記メモリセルに隣接する列に配置されたメモリセルのドレイン領域とを共用するものをいう。
【0003】
図13Bに仮想グランドアレイ構造のフラッシュメモリの等価回路61を示す。図に示すように、メモリセルC22のソース領域と、隣接する列に配置されたメモリセルC21のドレイン領域とは共用されており、これらの共用領域はビットラインB2を構成している。
【0004】
図13Aに各メモリセルを構成する不揮発性メモリ50の構造を示す。不揮発性メモリ50は、基板内に設けられたp形シリコンウエル2内にn+型ドレイン3及びn+型ソース4が設けられる。ドレイン3とソース4間は、チャネル領域16である。チャネル領域16上には、トンネル酸化膜8が設けられる。さらに、トンネル酸化膜8上にポリシリコンで構成されたフローティングゲート12、層間絶縁膜13、コントロールゲート電極14が順に設けられる。
【0005】
[書き込み、消去、読み出し原理]
上記の不揮発性メモリ50に対する情報の書き込みおよび消去について説明する。情報”1”を書き込む場合、コントロールゲート電極14、ドレイン3に高電圧を印加し、かつソース4、およびウエル2に接地電位を与える。これにより、ドレイン3近傍で発生したホットエレクトロンは、トンネル酸化膜8の電位障壁を飛び越えてフローティングゲート12内に流入する。
【0006】
このように流入した電子により、チャネル領域16にチャネルを形成させるためのコントロールゲート電圧のしきい値が上昇する。この状態が、フラッシュ不揮発性メモリ50に情報”1”が書き込まれた状態である(以下書き込み状態という)。
【0007】
一方、不揮発性メモリ50に情報”0”を記憶させる(消去する)場合、フローティングゲート12に流入させた電子を、ソース4に戻すため、フローティングゲート12とソース4間に、情報の書き込み時とは反対方向の高電圧を印加する。これにより、書き込み時とは反対方向の電界が発生し、F−N(Fowler-Nordheim)トンネリングにより電子がソース4に引戻される。
【0008】
このように電子が引戻されることにより、チャネル領域16にチャネルを形成させるためのコントロールゲート電圧のしきい値が降下する。この状態が、不揮発性メモリ50に情報”0”を記憶させた状態である(以下非書き込み状態という)。
【0009】
次に、不揮発性メモリ50における情報の読み出し動作を説明する。まず、コントロールゲート電極14に、センス電圧Vsを印加する。センス電圧Vsとは、書き込み状態のしきい値電圧と、非書き込み状態のしきい値電圧の中間の電圧をいう。
【0010】
不揮発性メモリ50が書き込み状態であれば、不揮発性メモリ50のしきい値電圧よりセンス電圧Vsの方が低いので、チャネル領域16にチャネルが形成されない。よって、ドレイン3の電位をソース4の電位より高くしても、ドレイン3とソース4間に電流が流れない。
【0011】
これに対して、不揮発性メモリ50が非書き込み状態であれば、不揮発性メモリ50のしきい値電圧よりセンス電圧Vsの方が高いので、チャネル領域16にチャネルが形成される。よって、ドレイン3の電位をソース4の電位より高くすることにより、ドレイン3とソース4間に電流が流れる。
【0012】
このように、不揮発性メモリ50においては、読み出し時には、コントロールゲート電極14に、書き込み状態と非書き込み状態の各々のしきい値電圧の間の電圧であるセンス電圧Vsを印加することにより、チャネル領域16にチャネルが形成されるか否かを検出して、書き込み状態か非書き込み状態かを判断する。
【0013】
[マトリックス状に組合わせた場合の動作]
ところで、不揮発性メモリ50を仮想グランドアレイ構造に配置した場合に、書き込み、または、読み出しを希望するメモリセル(以下選択セルという)以外のメモリセルに書き込み、または、読み出しをしてしまうおそれがある。そこで、図13Bに示す等価回路61においては、次に述べるようにして、確実に選択セルを選択できるようにしている。(なお、選択セル以外を以下非選択セルという)。
【0014】
まず、書き込みについて説明する。ワードラインW2、ビットラインB3に高電圧を印加し、ビットラインB1、B4をオープンにし、ビットラインB2、ワードラインW1、W3、およびウエル2を接地電位とする。選択セルC22について見てみると、コントロールゲート電極14、ドレイン3に高電圧が印加され、ソース4およびウエル2に接地電位を与えられることになる。これにより、ドレイン3近傍でホットエレクトロンが発生し、書き込み状態となる。
【0015】
非選択セルC21,C23については、ソースまたはドレインがオープンであるので、ホットエレクトロンが発生せず、書き込み状態となることはない。他の非選択セルC11〜C13,C31〜C33については、コントロールゲート電極14が接地電位なので、書き込み状態となることはない。このようにして、選択セルのみ書き込むことができる。
【0016】
読み出しについては、次の様にして行う。セルC22を選択セルとする場合は、ワードラインW2にセンス電圧Vs、ビットラインB1、B4をオープンにし、ワードラインW1、W3およびウエル2を接地電位とし、ビットラインB3とビットラインB2間に電位差を発生させるとともに、ビットラインB2にセンスアンプを接続する。
【0017】
セルC22が、書き込み状態であれば、既に述べたようにチャネル領域16にチャネルが形成されず、ドレイン3とソース4間に電流が流れない。これに対して、非書き込み状態であれば、チャネル領域16にチャネルが形成されドレイン3とソース4間に電流が流れる。これをビットラインB2に接続したセンスアンプで読み取ればよい。
【0018】
非選択セルC21,C23については、ソースまたはドレインがオープンであるので、仮に非書き込み状態であってもドレイン3とソース4間に電流が流れることはない。他の非選択セルC11〜C13,C31〜C33については、コントロールゲート電極14が接地電位であるので、チャネル領域16にチャネルが形成されない。したがって、ドレイン3とソース4間に電流が流れることはない。このようにして、選択セルの情報のみ読み出すことができる。
【0019】
また消去は、ワードラインW1〜W4を接地電位とし、ビットラインB1〜B4に書き込み時とは反対方向の高電圧を印加する。これにより電子がソース4に引戻され、メモリセルが一括消去される。
【0020】
このように、不揮発性メモリ50を仮想グランドアレイ構造で構成することにより、コンタクトが不要となり、セル面積を縮小することが可能となる。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなフラッシュメモリにおいては、次のような問題があった。書き込みの際には、ホットエレクトロン注入法を用いているので、トンネル酸化膜8が劣化する。このため、素子としての信頼性が低下するおそれがあった。また、ホットエレクトロン注入法では、ソース・ドレイン間を流れた電子のうちごくわずか(1%位)しか、フローティングゲート12内に流入しないので、注入効率が悪い。このため消費電力が多くなる。
【0022】
この発明は、上記のような問題点を解決し、消費電力が小さく、かつ信頼性を向上させた半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
請求項1にかかる半導体記憶装置は、A)a1)〜a6)を備えた単一メモリセルをマトリックス状に配置し、a1)半導体基板の第1導電型の領域内に設けられた第2導電型の第1領域であって、不純物としてリンを用いて形成された第1領域a2)前記第1領域との間に電路形成可能領域を形成するように設けられた第2導電型の第2領域であって、不純物としてヒ素を用いて形成された第2領域、a3)前記電路形成可能領域の上方に設けられた第1絶縁膜、a4)前記第1絶縁膜を介して前記電路形成可能領域の上方に設けられた浮遊型電極、a5)前記浮遊型電極の上方に設けられた第2絶縁膜、a6)前記第2絶縁膜を介して前記浮遊型電極の上方に設けられた制御電極、B)同一行に配置された単一メモリセルの制御電極は、電気的に接続されることにより制御電極ラインを形成しており、C)同一列に配置された単一メモリセルの前記第1領域は、前記半導体基板内で互いに連結されることにより、第1不純物領域ラインを形成しており、D)同一列に配置された単一メモリセルの前記第2領域は、前記半導体基板内で互いに連結されることにより、第2不純物領域ラインを形成しており、E)隣接する列に配置された単一メモリセルの第1不純物領域ラインと第2不純物領域ラインとを不純物領域ラインとして共用する半導体記憶装置であって、前記第1領域は、選択メモリセルにおけるF−Nトンネリングによってフローティングゲートに注入された電子をソースに引戻す時に、当該選択メモリセルに隣接するメモリセルにおいてF−Nトンネリングによる前記電子の引き戻しが行われないような、前記第2領域より不純物濃度が低い低濃度領域を有しており、前記第1領域の一端は、前記浮遊型電極の下部の第1導電型の領域まで及ぶように形成され、前記第1領域は、前記第2領域の下端部の所定位置までオーバラップするよう形成されており、さらに、半導体基板平面に対して垂直方向に、前記第2領域より大きく形成されることを特徴とする。
【0024】
【作用】
請求項1にかかる半導体記憶装置は、不純物としてリンを用いて形成された第1領域と、不純物としてヒ素を用いて形成された第2領域を備え、前記第1領域は、選択メモリセルにおけるF−Nトンネリングによってフローティングゲートに注入された電子をソースに引戻す時に、当該選択メモリセルに隣接するメモリセルにおいてF−Nトンネリングによる前記電子の引き戻しが行われないような、前記第2領域より不純物濃度が低い低濃度領域を有しており、前記第1領域の一端は、前記浮遊型電極の下部の第1導電型の領域まで及ぶように形成され、前記第1領域は、前記第2領域の下端部の所定位置までオーバラップするよう形成されており、さらに、半導体基板平面に対して垂直方向に、前記第2領域より大きく形成されることを特徴とする。したがって、前記高濃度領域を有しない第1領域側の浮遊型電極と第1領域間は、最大空乏層幅が厚い空乏層が形成される。これにより、前記電子の引き戻し時に、浮遊型電極と第1領域間の電界が弱まり、第1領域側から電子が引抜かれることはない。一方、前記高濃度領域を有する第2領域側の浮遊型電極と第2領域間は、最大空乏層幅が薄い空乏層が形成されるので、第2領域の高濃度領域から電子を引抜くことができる。
【0025】
【実施例】
[フラッシュメモリ1の構造]
本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。まず、図1、図2に本発明の一実施例によるフラッシュメモリ1を示す。なお、図2Aはフラッシュメモリ1の平面図であり、図1は図2AのA−A断面を、図2Bは図2AのB−B断面を示す。
【0026】
図1に示すように、フラッシュメモリ1においては、単一メモリセルを構成する不揮発性メモリ70が仮想グランドアレイ構造に配置されている。不揮発性メモリ70は、基板内に設けられたp型シリコンウエル2内に、第2領域であるn+型ドレイン3及び第1領域であるn-型ソース4が設けられている。ドレイン3とソース4間には、第1の電路形成可能領域であるチャネル領域16が設けられている。
【0027】
チャネル領域16の上方には、第1絶縁膜であるトンネル酸化膜8が設けられ、さらにトンネル酸化膜8の上方には浮遊型電極であるフローティングゲート12が設けられている。フローティングゲート12の上方には、第2絶縁膜である層間絶縁膜13を介して、制御電極であるコントロールゲート電極14が設けられている。
【0028】
なお、図2Aに示すように、同一列に配置された各単一メモリセルのソース4は電気的に接続されて、第1領域ラインであるソースラインを形成する。同様に、同一列に配置された各単一メモリセルのドレイン3は電気的に接続されて第2領域ラインであるドレインラインを形成する。
【0029】
さらに、さらに、ある単一メモリセルのドレインラインとその単一メモリセルに隣接する列に配置された単一メモリセルのソースラインは、領域ラインであるビットラインとして共用して形成される。例えば、図1において、ビットラインB3は、不揮発性メモリ51のソース4を形成しているとともに、不揮発性メモリ70のドレイン3を形成している。
【0030】
また、同一行に配置された各単一メモリセルのコントロールゲート電極14は、同一行に配置された他の単一メモリセルと電気的に接続されることにより、制御電極ラインであるワードラインを形成している。例えば、図1、図2Aに示すように、単一メモリセル69のコントロールゲート電極14は、同一列に配置された他の単一メモリセル70、71と電気的に接続されることにより、ワードラインW2を形成している。ワードラインW1,W2,W3は、図2Aに示すように各行ごとに設けられる。
【0031】
なお、図2Bに示すように、同一列に配置された単一メモリセルは、n型領域88a,88b,88cで分離されている。
【0032】
なお、本実施例においては、ドレイン3は、すべて高濃度領域で形成されている。
【0033】
[フラッシュメモリ1の動作]
つぎに、図3A,Bを用いてフラッシュメモリ1の使用方法について説明する。図3Aは、フラッシュメモリ1の等価回路81を示す。図3Bは、セルC22を選択セルとする場合に、消去時、書き込み時および読み出し時に印加する電圧の一例を示す。
【0034】
なお、従来例においては、電子がフローティングゲート12に注入された状態を書き込み状態、注入された電子をソース4に引戻した状態を非書き込み状態ととしていた。これに対して、本実施例においては、電子がフローティングゲート12に注入された状態を消去状態(非書き込み状態)、注入された電子をソース4に引戻した状態を書き込み状態としている。
【0035】
セルC23に書き込む場合には、まず、書き込み対象の単一メモリセルが接続されているワードラインに接続されている単一メモリセルを全て、消去状態とする。具体的には、図3Bに示す様に、ワードラインW2に18V、その他には、0Vを印加する。
【0036】
この状態におけるセルC23を図4Aに示す。ワードラインW2に18Vが印加されているので、セルC23のフローティングゲート12には、ウェル2、フローティングゲート12およびコントロールゲート電極14間のカップリング比に応じた電圧(この場合約12V)が印加される。これにより、セルC23の各チャネル領域16はオン状態となる。ここで、ビットラインB3,B4に0Vが印加されているので、選択セルC23のチャネル領域16には0Vが転送される。これにより、F−Nトンネリングにより電子がフローティングゲート12に注入され、選択セルC23は消去状態となる。他の単一メモリセルC21、C22、C24についても同様である。
【0037】
つぎに、セルC23に書き込む場合について説明する。図3Bに示すように、ワードラインW2に−7V、ビットラインB4に5V、その他には、0Vを印加する。
【0038】
この状態におけるセルC23を図4B、4Cに示す。なお、図4Cは図4Bの部分詳細図を示す。図4Cを参照して、ワードラインW2に−7Vが印加されているので、セルC23のフローティングゲート12には、ウェル2、フローティングゲート12およびコントロールゲート電極14間のカップリング比に応じた電圧(この場合約−5V)が印加される。また、ビットラインB4には5Vが印加されている。これにより、ドレイン3のフローティングゲート12との界面の空乏層は最大空乏層幅まで拡大する。しかし、前記空乏層が最大空乏層幅まで拡大したとしてもフローティングゲート12とドレイン3との電位差は、10Vあるので、フローティングゲート12に注入された電子は、F−NトンネリングによってセルC23のドレイン3に引戻され、選択セルC23は書き込み状態となる。
【0039】
一方、非選択セルであるセルC24については、つぎのような状態となる。ワードラインW2に−7Vが印加されているので、セルC24のフローティングゲート12にも、約−5Vが印加される。また、ビットラインB4には5Vが印加されている。これにより、ソース4のフローティングゲート12との界面の空乏層23は最大空乏層幅まで拡大する。ここで、セルC24のソース4は、セルC23のドレイン3と比較して低濃度の不純物しか添加されていない。したがってセルC24のソース4に形成された空乏層23の最大空乏層幅は、セルC23のドレイン3に形成された空乏層の最大空乏層幅より大きくなる。したがって、トンネル酸化膜8の膜厚が、実質的に厚くなったのと等しくなり、電界が弱まり、F−Nトンネリングが生じない。すなわち、非選択セルであるセルC24は誤って書き込み状態となることはない。
【0040】
一方、他の非選択セルC21,C22については、つぎのような状態となる。図3Aに戻って、ワードラインW2に−7Vが印加されているので、フローティングゲート12に、約−5Vが印加される。しかし、ビットラインB1,B2には0Vが印加されているので、フローティングゲート12とソース4間、およびフローティングゲート12とドレイン3間にF−Nトンネリングが生ずるほどの電圧が印加されない。したがって、非選択セルC21,C22について書き込み状態となることはない。
【0041】
また、他の非選択セルC11〜C14、C31〜C34については、ワードラインW1、W3に0Vが印加されているので、書き込み状態となることはない。このように、マトリッスクス状に組合わせた場合でも、各メモリセルのドレイン3の不純物濃度をソース4の不純物濃度より高くすることにより、あるメモリセルが属するソースラインと、そのメモリセルに隣接する列に配置されたメモリセルが属するドレインラインとを電気的に接続して1つのビットラインを形成したフラッシュメモリにおいても、F−N電流を用いて、選択セルのみに書き込むことができる。
【0042】
つぎに、図3Aを参照して、読み出しについて説明する。セルC23を選択セルとする場合は、ワードラインW2にセンス電圧として5V、ビットラインB4に1Vを印加するとともにセンスアンプを接続する。また、ビットラインB1、B2、B5をオープンにし、他は0Vを印加する。
【0043】
ワードラインW2にセンス電圧(5V)が印加されているので、セルC23が書き込み状態(フローティングゲート12から電子が引抜かれた状態)であれば、選択セルC23のチャネル領域16はオン状態となる。ここで、セルC23のドレイン3(ビットラインB4)には1V、ソース4(ビットラインB3)には0Vが印加されているので、ドレイン3(ビットラインB4)、ソース4(ビットラインB3)間に電流が流れ、これをビットラインB4に接続したセンスアンプで読み取ることができる。
【0044】
これに対して、セルC23が非書き込み状態(フローティングゲート12に電子を注入した状態)であれば、選択セルC23のチャネル領域16はオフ状態となる。したがって、ドレイン3(ビットラインB4)、ソース4(ビットラインB3)間に電流は流れない。
【0045】
非選択セルC21、C22、C24については、ビットラインB1、B2、B5がオープン状態になっているので、誤って電流が流れることはない。他の非選択セルC11〜C13、C31〜C33については、ワードラインW1,W3にはセンス電圧が印加されていないので、チャネル領域16はオフ状態である。したがって、誤って電流が流れることはない。このようにして、選択セルの情報のみ読み出すことができる。
【0046】
以上のように、フラッシュメモリ1においては、各メモリセルのドレイン3がソース4より不純物濃度が高い高濃度領域を有しており、その高濃度領域は、フローティングゲート12下部の半導体基板領域まで及ぶように形成されている。したがって、ソース4側のフローティングゲート12とソース4間には、最大空乏層幅が厚い空乏層が形成される。一方、ドレイン3側のフローティングゲート12とドレイン3間には最大空乏層幅が薄い空乏層が形成される。厚い空乏層は、書き込み時に、フローティングゲート12とソース4間の電界を弱め、ドレイン3からのみ電子を引抜くことができる。
【0047】
これにより、F−Nトンネリングによって情報の書き込みをすることができる仮想グランドアレイ構造のフラッシュメモリを提供することができる。すなわち、コンタクトが不要でセル面積の縮小化を図りつつ、消費電力が小さく、かつ信頼性を向上させた半導体記憶装置を提供することができる。
【0048】
[フラッシュメモリ1の製造方法]
つぎに、図5〜図7を用いて、フラッシュメモリ1の製造方法を説明する。半導体基板のp型シリコンウエル2の表面に熱酸化膜80(pad oxide)を形成し、その上に、化学気相成長(CVD)法を用いてシリコン窒化膜を形成した後、フォトレジストを用いて選択的にエッチングして、シリコン窒化膜82a〜82dを形成する。この状態を図5Aに示す。
【0049】
つぎに、図5Bに示すように、シリコン窒化膜82a〜82dで覆われていない半導体基板表面の1部をレジスト84a〜84dで覆う。この状態で、半導体基板全面にヒ素(As)をイオン注入する。これにより、シリコン窒化膜82a〜82dおよびレジスト84a〜84dで覆われていない半導体基板領域101に、ヒ素イオンが注入される。
【0050】
つぎに、レジスト84a〜84dを取り除いた後、図5Cに示すように、先程ヒ素イオンを注入した領域101以外の部分をレジスト86a〜86dで覆う。この状態で、半導体基板全面に燐(P)をイオン注入する。これにより、シリコン窒化膜82a〜82dおよびレジスト84a〜84dで覆われていない半導体基板領域102に、燐イオンが注入される。
【0051】
つぎに、半導体基板を熱処理した後、シリコン窒化膜82a〜82dおよび熱酸化膜80(pad oxide)を除去する。この熱処理により、シリコン窒化膜82a〜82dで覆われていなかった部分だけ酸化が進み、図6Aに示すように素子分離領域5が形成される。同時に、この熱処理により、素子分離領域5の下部のp型シリコンウエル2内に、n+型ドレイン3及びn-型ソース4が形成される。
【0052】
なお、図6Bは平面図であり、図6Aは、図6BのC−C断面である。また、図において、幅αは素子分離領域5の幅、幅βはドレイン3の幅、幅γはソース4の幅を示す。
【0053】
なお、本実施例においては、不純物濃度が高い高濃度領域(n+層)を形成する不純物としてヒ素(As)を採用し、不純物濃度がそれほど高くない領域(n-層)を形成する不純物として燐(P)を採用している。このような構成とすることにより、ヒ素の方が燐より拡散係数が低い為、高濃度領域(n+層)として形成したい部分が、拡散することにより不純物濃度が低くなってしまうことを防止できる。
【0054】
なお、不純物濃度がそれほど高くない領域(n-層)を形成する不純物として、燐ではなくヒ素を採用してもよい。この場合は、高濃度領域(n+層)として形成したい部分が、拡散することにより不純物濃度が低くなってしまうことを防止する為、ドーズ量等を調整すればよい。
【0055】
つぎに、基板表面に薄膜のトンネル酸化膜8を希釈酸化により形成する。その上に、CVD法を用いてポリシリコン層を形成し、フォトレジストを用いたエッチングを行ない、図7Aに示すようにフローティングゲート12を形成する。
【0056】
つぎに、基板全面に順にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜から構成される層間絶縁膜13を形成する。本実施例においては、最下層のシリコン酸化膜は希釈酸化により形成し、シリコン窒化膜は減圧CVD法により形成し、最上層のシリコン酸化膜はウエット酸化により形成した。
【0057】
つぎに、CVD法を用いて、層間絶縁膜13上にポリシリコン層を形成し、フォトレジストを用いたエッチングを行ない、図7Bに示すように、層間絶縁膜13およびコントロールゲート電極14を形成する。その際、素子分離領域上のフローティングゲート12を取り除く。これにより、フローティングゲート12の幅がコントロールゲート電極14と同じ幅に形成される。
【0058】
その状態から、n型不純物をイオン注入することにより図2A,Bに示すように、同一列に配置されたセルが、各セルごとに分離される。
【0059】
このように、本実施例においては、素子分離領域5の下部にビットラインを形成している。
【0060】
[他の実施例(フラッシュメモリ80)]
図8に、他の実施例であるフラッシュメモリ80を示す。フラッシュメモリ80においては、不揮発性メモリ81が仮想グランドアレイ構造に配置されている。
【0061】
不揮発性メモリ81の構造は、n-領域がn+領域を覆うように形成されており、ドレイン3の一部は、n-領域である点を除き、不揮発性メモリ70の構造と同じである。
【0062】
すなわち、不揮発性メモリ81においても、ドレイン3はソース4より不純物濃度が高い高濃度領域を有しており、その高濃度領域は、フローティングゲート12下部の半導体基板領域まで及ぶように形成されている。
【0063】
フラッシュメモリ80においては、ドレイン3の一部にn-領域を有している。したがって、ドレイン3側を高耐圧構造とすることができる。これにより、バンド間トンネリングによるリーク電流を減らすことができる。
【0064】
フラッシュメモリ80の使用方法についても、フラッシュメモリ1と同様である。
【0065】
フラッシュメモリ80の製造方法については、n-領域がn+領域を覆うように形成する点が異なるだけで他は同じである。n-領域がn+領域を覆うように形成するには、レジスト84a〜84dおよびレジスト86a〜86dを形成するマスクパターンを、所望のn-領域およびn+領域となるように変更すればよい。
【0066】
[他の実施例(フラッシュメモリ91)]
図9A,Bに、他の実施例であるフラッシュメモリ91を示す。フラッシュメモリ91においては、不揮発性メモリ170が仮想グランドアレイ構造に配置されている。
【0067】
不揮発性メモリ81の構造は、素子分離領域5の下部にn-領域およびn+領域が形成されていない点が、不揮発性メモリ70と異なる。他の部分は不揮発性メモリ70とほぼ同じであるので、説明は省略する。
【0068】
フラッシュメモリ91の使用方法についても、フラッシュメモリ1と同様である。
【0069】
つぎに、図10〜図13を用いて、フラッシュメモリ91の製造方法を説明する。まず、図10A(平面図)に示すように、LOCOS法によりフィールド酸化層123を形成し、素子分離を行う。図10Bは、図10AのY−Y断面であり、素子分離領域の断面図である。素子分離領域は、フィールド酸化層123が基板表面から突出するように形成されている。一方、図10Cは、図10AのX−X断面であり素子形成領域の断面図である。
【0070】
つぎに、全面に、薄膜のトンネル酸化膜8を希釈酸化により形成し、その上に、CVD法を用いてポリシリコン層を形成し、フォトレジストを用いたエッチングを行ない、図11A,Bに示すようにフローティングゲート12を形成する。なお、図11Bは、図11AのX−X断面であり素子形成領域の断面図である。
つぎに、図12Aに示すように、基板全面に順にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜から構成される層間絶縁膜13を形成する。本実施例においては、最下層のシリコン酸化膜は希釈酸化により形成し、シリコン窒化膜は減圧CVD法により形成し、最上層のシリコン酸化膜はウエット酸化により形成した。
【0071】
この状態から、図5B,Cと同様にして、レジストを用いて選択的に不純物をイオン注入した後、熱処理を行なうことにより、図12Bに示すように、p型シリコンウエル2内に、n+型ドレイン3及びn-型ソース4を形成する。
【0072】
つぎに、CVD法を用いて、層間絶縁膜13上にポリシリコン層を形成した後、フォトレジストを用いたエッチングを行ない、図9A,Bに示すように、各ワードライン(コントロール電極14)を形成する。同時に、素子分離領域上のフローティングゲート12を取り除き、メモリセルごとにフローティングゲートが形成される。
【0073】
フラッシュメモリ91においては、一旦素子分離を行なった後、ソース4およびドレイン3を形成しているので、素子分離の際の高温処理にともなって発生するソース4及びドレイン3の横方向の拡散を確実に防止できる。
【0074】
なお、フラッシュメモリ91においては、フラッシュメモリ80のように、n-領域がn+領域を覆うように形成してもよい。
【0075】
[他の応用例]
なお、上記各実施例においては、層間絶縁膜13をシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の三層膜(ONO膜)で形成したが、絶縁膜であればどのようなものであってもよく、例えば、シリコン酸化膜等で形成してもよい。
【0076】
また、上記各実施例においては、n+層を形成する不純物をイオン注入した後、n-層を形成する不純物をイオン注入するようにしている。しかし、n-層を形成する不純物をイオン注入した後、n+層を形成する不純物をイオン注入するようにしてもよい。
【0077】
【発明の効果】
本発明にかかる半導体記憶装置により、単一メモリセルを仮想グランドアレイ構造にマトリックス配置し、かつF−Nトンネリングで情報の書き込みを行なえる。したがって、消費電力が小さく、かつ信頼性を向上させた半導体記憶装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】フラッシュメモリ1の構造を示す要部断面図である。
【図2】フラッシュメモリ1の構造を示す平面図および一部断面図である。
【図3】フラッシュメモリ1の等価回路81および動作の際に印加する電圧の一例を示す図である。
【図4】フラッシュメモリ1の製造工程を示す図である。
【図5】フラッシュメモリ1の構造を示す平面図である。
【図6】フラッシュメモリ1の構造を示す平面図である。
【図7】フラッシュメモリ1の製造工程を示す図である。
【図8】他の実施例であるフラッシュメモリ80の構造を示す要部断面図である。
【図9】他の実施例であるフラッシュメモリ91の構造を示す図である。
【図10】フラッシュメモリ91の製造工程を示す図である。
【図11】フラッシュメモリ91の製造工程を示す図である。
【図12】フラッシュメモリ91の製造工程を示す図である。
【図13】従来の仮想グランドアレイ構造のフラッシュメモリを示す図である。Aは要部断面図であり、Bは等価回路61を示す図である。
【符号の説明】
3・・・ドレイン
4・・・ソース
8・・・トンネル酸化膜
12・・・フローティングゲート
13・・・層間絶縁膜
14・・・コントロールゲート電極
16・・・チャネル領域
B1〜B4・・・ビットライン
W1〜W3・・・ワードライン[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to power saving thereof.
[0002]
[Prior art]
Today, a flash memory having a virtual ground array structure that does not require contacts in the cell array and can reduce the size of the cells is known. The virtual ground array structure means that when memory cells are arranged in a matrix, a source region of a certain memory cell and a drain region of a memory cell arranged in a column adjacent to the memory cell are shared.
[0003]
FIG. 13B shows an equivalent circuit 61 of a flash memory having a virtual ground array structure. As shown in the figure, the source region of the memory cell C22 and the drain region of the memory cell C21 arranged in the adjacent column are shared, and these shared regions constitute the bit line B2.
[0004]
FIG. 13A shows the structure of the
[0005]
[Principle of writing, erasing and reading]
Information writing and erasing to the
[0006]
The threshold voltage of the control gate voltage for forming a channel in the
[0007]
On the other hand, when information “0” is stored (erased) in the
[0008]
As the electrons are pulled back in this manner, the threshold value of the control gate voltage for forming a channel in the
[0009]
Next, an information reading operation in the
[0010]
If the
[0011]
On the other hand, if the
[0012]
As described above, in the
[0013]
[Operation when combined in matrix]
By the way, when the
[0014]
First, writing will be described. A high voltage is applied to the word line W2 and the bit line B3, the bit lines B1 and B4 are opened, and the bit line B2, the word lines W1 and W3, and the
[0015]
As for the non-selected cells C21 and C23, since the source or drain is open, hot electrons are not generated and a write state is not obtained. For the other non-selected cells C11 to C13 and C31 to C33, the
[0016]
Reading is performed as follows. When the cell C22 is selected, the sense voltage Vs and the bit lines B1 and B4 are opened on the word line W2, the word lines W1 and W3 and the
[0017]
If the cell C22 is in the write state, no channel is formed in the
[0018]
As for the non-selected cells C21 and C23, since the source or drain is open, no current flows between the
[0019]
In erasing, the word lines W1 to W4 are set to the ground potential, and a high voltage in the direction opposite to that at the time of writing is applied to the bit lines B1 to B4. As a result, electrons are pulled back to the
[0020]
Thus, by configuring the
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above flash memory has the following problems. At the time of writing, since the hot electron injection method is used, the
[0022]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that solves the above-described problems and has low power consumption and improved reliability.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device comprising: A) single memory cells having a1) to a6) arranged in a matrix; a1) a second conductive provided in a first conductive type region of a semiconductor substrate. A first region of the mold, which is a first region a2 formed by using phosphorus as an impurity a2) a second conductivity type second region provided so as to form an electric circuit formable region between the first region and the first region A second region formed by using arsenic as an impurity, a3) a first insulating film provided above the electric circuit forming region, a4) an electric circuit can be formed through the first insulating film A floating electrode provided above the region, a5) a second insulating film provided above the floating electrode, a6) a control electrode provided above the floating electrode via the second insulating film B) Control electrodes of single memory cells arranged in the same row are controlled by being electrically connected. C) the first regions of the single memory cells arranged in the same column are connected to each other in the semiconductor substrate to form a first impurity region line; D) The second regions of the single memory cells arranged in the same column are connected to each other in the semiconductor substrate to form a second impurity region line, and E) arranged in adjacent columns. A semiconductor memory device sharing the first impurity region line and the second impurity region line of a single memory cell as an impurity region line, wherein the first region has FN tunneling in a selected memory cell. When the electrons injected into the floating gate are pulled back to the source And FN tunneling in the memory cell adjacent to the selected memory cell. The electronic withdrawal is not performed, The first region has a low concentration region whose impurity concentration is lower than that of the second region, and one end of the first region extends to the first conductivity type region below the floating electrode. Is formed so as to overlap to a predetermined position at the lower end of the second region, and is formed to be larger than the second region in a direction perpendicular to the plane of the semiconductor substrate.
[0024]
[Action]
2. A semiconductor memory device according to
[0025]
【Example】
[Structure of flash memory 1]
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIGS. 1 and 2 show a
[0026]
As shown in FIG. 1, in the
[0027]
A
[0028]
As shown in FIG. 2A, the
[0029]
Furthermore, a drain line of a single memory cell and a source line of a single memory cell arranged in a column adjacent to the single memory cell are formed in common as a bit line which is a region line. For example, in FIG. 1, the bit line B <b> 3 forms the
[0030]
Further, the
[0031]
As shown in FIG. 2B, single memory cells arranged in the same column are separated by n-type regions 88a, 88b, 88c.
[0032]
In the present embodiment, all the
[0033]
[Operation of flash memory 1]
Next, a method of using the
[0034]
In the conventional example, a state in which electrons are injected into the floating
[0035]
When writing to the cell C23, first, all the single memory cells connected to the word line to which the single memory cell to be written is connected are brought into an erased state. Specifically, as shown in FIG. 3B, 18V is applied to the word line W2, and 0V is applied to the others.
[0036]
The cell C23 in this state is shown in FIG. 4A. Since 18V is applied to the word line W2, a voltage corresponding to the coupling ratio between the
[0037]
Next, a case where data is written in the cell C23 will be described. As shown in FIG. 3B, -7V is applied to the word line W2, 5V is applied to the bit line B4, and 0V is applied to the others.
[0038]
A cell C23 in this state is shown in FIGS. 4B and 4C. 4C shows a partial detail view of FIG. 4B. Referring to FIG. 4C, since −7V is applied to the word line W2, the voltage corresponding to the coupling ratio among the
[0039]
On the other hand, the cell C24 which is a non-selected cell is in the following state. Since -7V is applied to the word line W2, approximately -5V is also applied to the floating
[0040]
On the other hand, the other unselected cells C21 and C22 are in the following state. Returning to FIG. 3A, since −7 V is applied to the word line W <b> 2, approximately −5 V is applied to the floating
[0041]
Further, the other non-selected cells C11 to C14 and C31 to C34 are not in the write state because 0 V is applied to the word lines W1 and W3. Thus, even when combined in a matrix form, by making the impurity concentration of the
[0042]
Next, reading will be described with reference to FIG. 3A. When the cell C23 is a selected cell, 5 V is applied as a sense voltage to the word line W2, 1 V is applied to the bit line B4, and a sense amplifier is connected. Also, the bit lines B1, B2, and B5 are opened, and 0 V is applied to the others.
[0043]
Since the sense voltage (5 V) is applied to the word line W2, the
[0044]
On the other hand, if the cell C23 is in a non-write state (a state where electrons are injected into the floating gate 12), the
[0045]
For the unselected cells C21, C22, and C24, since the bit lines B1, B2, and B5 are in an open state, no current flows by mistake. For other non-selected cells C11 to C13 and C31 to C33, the sense voltage is not applied to the word lines W1 and W3, so that the
[0046]
As described above, in the
[0047]
Thereby, it is possible to provide a flash memory having a virtual ground array structure in which information can be written by FN tunneling. That is, it is possible to provide a semiconductor memory device that does not require a contact and reduces the cell area while reducing power consumption and improving reliability.
[0048]
[Method of Manufacturing Flash Memory 1]
Next, a manufacturing method of the
[0049]
Next, as shown in FIG. 5B, portions of the semiconductor substrate surface not covered with the silicon nitride films 82a to 82d are covered with resists 84a to 84d. In this state, arsenic (As) is ion-implanted into the entire surface of the semiconductor substrate. As a result, arsenic ions are implanted into the
[0050]
Next, after removing the resists 84a to 84d, as shown in FIG. 5C, portions other than the
[0051]
Next, after heat-treating the semiconductor substrate, the silicon nitride films 82a to 82d and the thermal oxide film 80 (pad oxide) are removed. As a result of this heat treatment, oxidation proceeds only to the portions not covered with the silicon nitride films 82a to 82d, and the
[0052]
6B is a plan view, and FIG. 6A is a CC cross section of FIG. 6B. In the figure, the width α indicates the width of the
[0053]
In this embodiment, the high concentration region (n + Arsenic (As) is used as an impurity for forming the layer), and the impurity concentration is not so high (n - Phosphorus (P) is employed as an impurity for forming the layer. By adopting such a configuration, since arsenic has a lower diffusion coefficient than phosphorus, a high concentration region (n + It is possible to prevent the impurity concentration from being lowered due to diffusion of a portion to be formed as a layer.
[0054]
Note that the region where the impurity concentration is not so high (n - As an impurity forming the layer, arsenic may be employed instead of phosphorus. In this case, the high concentration region (n + In order to prevent a portion desired to be formed as a layer) from being diffused to lower the impurity concentration, the dose amount or the like may be adjusted.
[0055]
Next, a thin
[0056]
Next, an
[0057]
Next, a polysilicon layer is formed on the
[0058]
From this state, by ion-implanting n-type impurities, the cells arranged in the same column are separated for each cell as shown in FIGS. 2A and 2B.
[0059]
Thus, in this embodiment, a bit line is formed under the
[0060]
[Other Embodiments (Flash Memory 80)]
FIG. 8 shows a
[0061]
The structure of the non-volatile memory 81 is n - Region is n + The
[0062]
That is, also in the nonvolatile memory 81, the
[0063]
In the
[0064]
The method of using the
[0065]
For the manufacturing method of the
[0066]
[Other Embodiments (Flash Memory 91)]
9A and 9B show a
[0067]
The structure of the non-volatile memory 81 is n below the
[0068]
The method of using the
[0069]
Next, a method for manufacturing the
[0070]
Next, a thin
Next, as shown in FIG. 12A, an
[0071]
From this state, in the same manner as in FIGS. 5B and 5C, impurities are selectively ion-implanted using a resist, and then heat treatment is performed. +
[0072]
Next, after a polysilicon layer is formed on the
[0073]
In the
[0074]
Note that in the
[0075]
[Other application examples]
In each of the above embodiments, the
[0076]
In each of the above embodiments, n + After ion implantation of impurities forming the layer, n - Impurities forming the layer are ion-implanted. However, n - After ion implantation of impurities forming the layer, n + Impurities for forming the layer may be ion-implanted.
[0077]
【The invention's effect】
With the semiconductor memory device according to the present invention, single memory cells can be arranged in a matrix in a virtual ground array structure, and information can be written by FN tunneling. Therefore, a semiconductor memory device with low power consumption and improved reliability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a structure of a
2A and 2B are a plan view and a partial cross-sectional view showing a structure of a
FIG. 3 is a diagram showing an example of an equivalent circuit 81 of the
4 is a diagram showing a manufacturing process of the
5 is a plan view showing the structure of the
6 is a plan view showing the structure of the
7 is a diagram showing a manufacturing process of the
FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part showing the structure of a
FIG. 9 is a diagram showing a structure of a
10 is a diagram showing a manufacturing process of the
11 is a diagram showing manufacturing steps of the
12 is a diagram showing a manufacturing process of the
FIG. 13 is a diagram showing a flash memory having a conventional virtual ground array structure. A is a cross-sectional view of the main part, and B is a diagram showing an equivalent circuit 61.
[Explanation of symbols]
3 ... Drain
4 ... Source
8 ... Tunnel oxide film
12 ... Floating gate
13 ... Interlayer insulating film
14 ... Control gate electrode
16: Channel region
B1 to B4 ... bit lines
W1-W3 ... Word line
Claims (1)
a1)半導体基板の第1導電型の領域内に設けられた第2導電型の第1領域であって、不純物としてリンを用いて形成された第1領域、
a2)前記第1領域との間に電路形成可能領域を形成するように設けられた第2導電型の第2領域であって、不純物としてヒ素を用いて形成された第2領域、
a3)前記電路形成可能領域の上方に設けられた第1絶縁膜、
a4)前記第1絶縁膜を介して前記電路形成可能領域の上方に設けられた浮遊型電極、
a5)前記浮遊型電極の上方に設けられた第2絶縁膜、
a6)前記第2絶縁膜を介して前記浮遊型電極の上方に設けられた制御電極、
B)同一行に配置された単一メモリセルの制御電極は、電気的に接続されることにより制御電極ラインを形成しており、
C)同一列に配置された単一メモリセルの前記第1領域は、前記半導体基板内で互いに連結されることにより、第1不純物領域ラインを形成しており、
D)同一列に配置された単一メモリセルの前記第2領域は、前記半導体基板内で互いに連結されることにより、第2不純物領域ラインを形成しており、
E)隣接する列に配置された単一メモリセルの第1不純物領域ラインと第2不純物領域ラインとを不純物領域ラインとして共用する、半導体記憶装置であって、
前記第1領域は、選択メモリセルにおけるF−Nトンネリングによってフローティングゲートに注入された電子をソースに引戻す時に、当該選択メモリセルに隣接するメモリセルにおいてF−Nトンネリングによる前記電子の引き戻しが行われないような、前記第2領域より不純物濃度が低い低濃度領域を有しており、
前記第1領域の一端は、前記浮遊型電極の下部の第1導電型の領域まで及ぶように形成され、
前記第1領域は、前記第2領域の下端部の所定位置までオーバラップするよう形成されており、さらに、半導体基板平面に対して垂直方向に、前記第2領域より大きく形成されること、
を特徴とする半導体記憶装置。A) Single memory cells having a1) to a6) are arranged in a matrix,
a1) a first region of a second conductivity type provided in a first conductivity type region of a semiconductor substrate, the first region being formed using phosphorus as an impurity;
a2) a second region of the second conductivity type provided so as to form an electric circuit forming region with the first region, the second region being formed using arsenic as an impurity;
a3) a first insulating film provided above the electric circuit formable region;
a4) a floating electrode provided above the electric circuit forming region via the first insulating film;
a5) a second insulating film provided above the floating electrode;
a6) a control electrode provided above the floating electrode via the second insulating film;
B) The control electrodes of the single memory cells arranged in the same row are electrically connected to form a control electrode line,
C) The first regions of the single memory cells arranged in the same column are connected to each other in the semiconductor substrate to form a first impurity region line;
D) The second regions of the single memory cells arranged in the same column are connected to each other in the semiconductor substrate to form a second impurity region line,
E) A semiconductor memory device in which a first impurity region line and a second impurity region line of a single memory cell arranged in adjacent columns are shared as impurity region lines,
In the first region, when electrons injected into the floating gate by FN tunneling in the selected memory cell are pulled back to the source, the electrons are pulled back by FN tunneling in the memory cell adjacent to the selected memory cell. A low concentration region having a lower impurity concentration than the second region,
One end of the first region is formed to extend to a region of the first conductivity type below the floating electrode,
The first region is formed so as to overlap to a predetermined position of a lower end portion of the second region, and is formed to be larger than the second region in a direction perpendicular to a semiconductor substrate plane;
A semiconductor memory device.
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