JP3691285B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM) 、フラッシュＥＥＰＲＯＭのようなフローティングゲートを有する不揮発性半導体記憶装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの不揮発性半導体メモリのセルは、図７に示すように、半導体基板１上に、チャネル領域２、ソース３、およびドレイン４が形成され、チャネル領域２上には、トンネル酸化膜５、フローティングゲート６、酸化膜７、およびコントロールゲート８が順次形成されたＭＯＳトランジスタからなる。また、フローティングゲート６は、自由電子が多量なＮ型にドーピングされている。
【０００３】
このようなＭＯＳトランジスタでは、データの書き込み時には、コントロールゲート８に正電圧を印加することにより、トンネル酸化膜５を経由してフローティングゲート６に電子が注入されて蓄積される。一方、データの消去時には、ドレイン４に正電圧を印加することにより、フローティングゲート６からトンネル酸化膜５を介して電子を引き抜くことができる。データの書き込み状態と消去状態とではメモリセルのしきい値電圧が異なるため、メモリとして使用することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のメモリセルでは、データの書き込み時には、コントロールゲート８からの正電圧Ｖｐｐは、図８に示すように、フローティングゲート６に容量結合で伝えられ、フローティングゲート６に印加される電圧Ｖｆｇは、Ｖｆｇ＝Ｃ３／（Ｃ３＋Ｃ４）×Ｖｐｐとなり、フローティングゲート６の印加電圧Ｖｆｇは、静電容量Ｃ４が小さいほど大きくなる。なお、Ｃ３はコントロールゲート８とフローティングゲート６との間の静電容量、Ｃ４はフローティングゲート６と半導体基板１との間の静電容量である。
【０００５】
このように、データの書き込み時には、フローティングゲート６に上記のような電圧が印加されるが、フローティングゲート６がＮ型からなる場合には、トンネル酸化膜５とフローティングゲート６との界面のフローティングゲート６側に空乏層が形成されるので、トンネル酸化膜５に伝える電圧が低下し、フローティングゲート６への電子の注入効率が悪くなる。
【０００６】
一方、データの消去時には、ドレイン４に正電圧を印加するが、この際には、Ｎ型からなるフローティングゲート６内には空乏層が形成されないが、Ｎ型からなるドレイン４に空乏層が形成され、フローティングゲート６内の電子の引き抜き効率が悪くなる。
このように、フローティングゲート６に対する電子の注入効率やそれからの電子の引き抜き効率が悪いと、その分、余計な高電圧が必要となり、消費電力の増大を招く。また、その効率を高めるためにトンネル酸化膜５を薄くすると、トンネル酸化膜５自体の信頼性が低下するという新たな不都合がある。
【０００７】
ところで、特開平１０−２５６４００号公報に記載のように、フローティングゲートとしてＰ型多結晶シリコンを使用する技術が知られている。この従来技術では、データの書き込み時にはフローティングゲート６に空乏層が形成されないが、データの消去時には、Ｐ型からなるフローティングゲート６内には空乏層が形成される上に、Ｎ型からなるドレイン４に空乏層が形成されるので、フローティングゲート６により多大な電圧降下を招いてしまうという不都合がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、電力消費を増大することなく、データの書き込み時にはフローティングゲートに電子を効率的に注入でき、他方、データの消去時にはフローティングゲートから電子を効率的に引き抜くことができる不揮発性半導体記憶装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に形成され、ソース領域、チャネル領域、及びドレイン領域を含む活性化領域と、前記チャネル領域上に形成され、書き込み時または消去時に電子が通過するトンネル領域を含む第１絶縁層と、この第１絶縁層上に形成され、Ｎ型領域とＰ型領域を含むフローティングゲートと、このフローティングゲート上に形成された第２絶縁層と、この第２絶縁層上に形成されたコントロールゲートと、を備え、前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域は共に前記トンネル領域に接するとともに、前記トンネル領域を介して前記チャネル領域上に配置され、かつ、前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域との配列方向が、前記ソース領域、前記チャネル領域、及びドレイン領域の配列方向に対して直交していることを特徴とするものである。
【００１１】
このように本発明では、第１絶縁層（トンネル酸化膜）上に形成されるフローティングゲートを、Ｎ型領域とＰ型領域とから形成するようにした。
このため、データの書き込み時には、Ｎ型領域には通常の空乏層が形成されるが、Ｐ型領域には空乏層は形成されないので、Ｐ型領域に効率的に電子の注入が行われる。
【００１２】
他方、データの消去時には上記とは逆に、Ｐ型領域には通常の空乏層が形成されるが、Ｎ型領域には空乏層が形成されないので、Ｎ型のフローティングゲートからの電子の引き抜きが効率的に行われ、全体として電子の引き抜き効率が低下することがない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に参照して説明する。
図１は、本発明の不揮発性半導体記憶装置の実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線の断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線の断面図である。
【００１４】
この実施形態にかかる不揮発性半導体記憶装置のメモリセルは、図１および図２に示すように、Ｐ型半導体基板１の表面にチャネル領域２を形成する部分が設けられ、このチャネル領域２を挟むように所定の間隔をおいてＰ型半導体基板１の表面側に、Ｎ型領域からなるソース領域３とＮ型領域からなるドレイン領域４とを形成させている。
【００１５】
チャネル領域２上に第１絶縁層であるトンネル酸化膜５が形成され、このトンネル酸化膜５上にフローティングゲート６が形成されている。フローティングゲート６は、図１に示すように、ソース領域３とドレイン領域４との配列される方向とは直交する方向に形成されている。また、フローティングゲート６は、図３に示すように、Ｎ型領域６１と、Ｐ型領域６２とから形成されている。
【００１６】
フローティングゲート６上には、図２および図３に示すように、第２絶縁層である酸化膜７が形成され、この酸化膜７上にはコントロールゲート８が形成されている。
なお、Ｎ型領域６１とＰ型領域６２とは、その周囲がトンネル酸化膜５および酸化膜７の他に図示しない酸化膜に囲まれ、絶縁された状態になっている。また、図２に示すように、半導体１の表面は酸化膜９により被覆されている。
【００１７】
このように構成される実施形態における半導体基板１とコントロールゲート８との間の電気的な等価回路は、図４に示すようになる。図４において、Ｃ１はＮ型領域６１と半導体基板１との間の静電容量、Ｃ２はＰ型領域６２と半導体基板１との間の静電容量、およびＣ３はフローティングゲート６とコントロールゲート８との間の静電容量である。図５（Ａ）はデータの書き込み時の等価回路であり、同図（Ｂ）はデータの消去時の等価回路である。
【００１８】
次に、上述の実施形態の不揮発性半導体記憶装置の動作について、図面を参照しながら説明する。
まず、データの書き込み時には、コントロールゲート８に正電圧（例えば２０ボルト）が印加されてドレイン４は０〔Ｖ〕となるので、Ｎ型領域６１には通常の空乏層が形成されるが、Ｐ型領域６２には空乏層は形成されない。このため、ドレイン４からトンネル酸化膜５を経由してＰ型領域６２に効率的に電子の注入が行われる（図３参照）。このときの等価回路は、図５（Ａ）に示すようになり、コンデンサＣ１が主に機能することなる。
【００１９】
このように、Ｐ型領域６２に注入された電子は、その一部がＮ型領域６１に移動してすぐに平衡状態に達する。
なお、データの書き込み時には、Ｎ型領域６１には殆ど電子は注入されない。その理由は、コントロールゲート８の印加される正電圧は瞬間的ではあるが０〜２０〔Ｖ〕まで徐々に増加されるため、トンネル電流が開始するしきい値は、例えば、Ｐ型領域６２では１２．５〔Ｖ〕であり、Ｎ型領域６１では１３．０〔Ｖ〕であり、Ｐ型領域６２のほうが０．５〔Ｖ〕低く、先にＰ型領域６２側に電子の注入がなされるためである。ひとたび電子の注入がなされると、フローティングゲート６がマイナス電荷で電位が下がるため、コントロールゲート８の電位をさらに上げても電子の注入はなされない。
【００２０】
一方、データの消去時には、ドレイン４に正電圧が印加されてコントロールゲート８は０〔Ｖ〕となるので、Ｐ型領域６２には通常の空乏層が形成されるが、Ｎ型領域６１には空乏層が形成されない。このため、Ｎ型領域６１内の電子を、トンネル酸化膜５を介してチャネル領域２に効率的に引き抜くことができるので、全体として電子の引き抜く効率が低下することがない。このときの等価回路は、図５（Ｂ）に示すようになり、容量Ｃ２が主に機能することなる。
【００２１】
なお、データの消去時には、Ｐ型領域６２からの電子の引き抜きは殆ど行われない。その理由は、半導体基板１に正電圧が印加されてコントロールゲート８は０〔Ｖ〕であり、半導体基板１の印加電圧が０〜２０〔Ｖ〕に徐々に増加されるため、しきい値電圧が、例えばＰ型領域６２では１４．５〔Ｖ〕であり、Ｎ型領域６１では１４．０〔Ｖ〕であり、Ｎ型領域６１のほうが０．５〔Ｖ〕低いので、Ｎ型領域６１から先に電子の引き抜きが起こるためである。
【００２２】
以上説明したように、この実施形態では、トンネル酸化膜５上のフローティングゲート６を、Ｎ型領域６１とＰ型領域６２とから形成するようにした。このため、データの書き込み時には、Ｐ型領域６２に空乏層が形成されないために、そこにおける電圧降下がなく、高電圧回路の低消費電力化が可能となる。
また、この実施形態では、トンネル酸化膜５上のフローティングゲート６を、Ｎ型領域６１とＰ型領域６２とに２分割したので、トンネル酸化膜５からなるトンネル領域が電気的に２分割されたことになり、この分割された各トンネル領域の面積は従来の１／２程度に減少する。この減少は、データの書き込み時またはその消去時において、トンネル酸化膜５への印加電圧を実効的に増加させることになる。このため、データの書き込み時と消去時において、フローティングゲート６に対する電子の注入効率を高くできる上に、その電子の引き抜き効率を高くでき、かつ、データの書き込み時と消去時の状態でのしきい値電圧の差を大きくすることができる。
【００２３】
次に、この実施形態にかかる不揮発性半導体記憶装置の製造方法の一例について、図６を参照して説明する。ここで、図６は、その右側の各図が製造工程の平面図を示し、その左側はその各平面図に対応する断面図を示す。例えば、図６（Ａ）の断面図は、その右側の平面図のＣ−Ｃ線の断面図である。
まず、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon) 法により、Ｐ型半導体基板１上に酸化膜からなる素子分離領域１１を形成させ、この素子分離領域１１で囲まれたＰ型半導体基板１上の素子形成領域１２に、膜厚が１００Å程度のトンネル酸化膜５を形成する（図６（Ａ）参照）。このトンネル酸化膜５の形成は、温度が８５０℃の下でウエット酸化により形成する。
【００２４】
次に、素子分離領域１１およびトンネル酸化膜５の表面の全体に、フローティングゲート６となる多結晶シリコン１３を、温度が６５０℃の下でその厚さが３５００Å程度となるように、ＣＶＤ（気相成長法）により堆積させる。
多結晶シリコン１３がウェハ全面に付いている状態で、フォトレジストとＮ領域マスクを用いてトンネル酸化膜５の領域を半分に分割するようにレジスト１４を形成させる（図６（Ｂ）参照）。トンネル酸化膜５の領域の２分割は、メモリセルとなるチャネルの向き、すなわちソース３とドレイン４の向きと平行となる向きとする。
【００２５】
そして、図６（Ｂ）に示すように、多結晶シリコン層１３のうちの半分をレジスト１４で被覆した状態で、その残りの半分の多結晶シリコン層１３上に、Ｎ型の不純物として例えばヒ素（Ａｓ⁺ ）のイオン注入を行い、Ｎ型領域６１となる部分を形成する。このイオンの注入は、イオンに６０ｋｅＶ程度の加速エネルギーを与えて行い、イオンの注入量は５×１０¹⁵／ｃｍ² 程度とする。
【００２６】
次に、図６（Ｃ）に示すように、Ｎ型領域６１となるべき部分をフォトレジスト１５により被覆する一方、フォトレジスト１４を除去する。そして、このフォトレジスト１４を除去した多結晶シリコン層１３上に、図６（Ｃ）に示すように、Ｐ型の不純物として例えばＢＦ²⁺のイオン注入を行い、Ｐ型領域６２となる部分を形成する。このイオンの注入は、イオンに１５ｋｅＶ程度の加速エネルギーを与えて行い、イオンの注入量は４×１０¹⁵／ｃｍ² 程度とする。
【００２７】
次に、多結晶シリコン１３が全面に付いた状態で、Ｎ型領域６１およびＰ型領域６２となる部分の表面に、図６（Ｄ）に示すように、酸化膜７となるべき酸化膜１６を形成させる。この酸化膜１６は、温度が１０００℃の下で、ドライ酸化により膜厚が３００Å程度となるように形成する。
次に、図６（Ｄ）に示すように、その酸化膜１６上に、コントロールゲート８となる３５００Åの厚みの多結晶シリコン膜１７を、６５０℃の温度の下で堆積させる。この堆積後に、多結晶シリコン１７内に、オキシ塩化リンの化合物（ＰＯＣＬ₃ ）をガス状にして、高温（９５０℃）でリンを不純物としてドーピングする。このときの不純物濃度は、高濃度（２０ｏｈｍ／ｓｑ）となるようにする。その後、メモリセル領域を形成するために、図６（Ｄ）に示すように、マスクでフォトレジスト１８を形成する。
【００２８】
次に、ドライエッチングにより、多結晶シリコン１７から 多結晶シリコン１３までエッチングし、フォトレジスト１８に応じたパターンを形成する。引き続き、酸化膜５上に、ソース領域３とドレイン領域４の形成用のマスクでフォトレジストを形成する。
このフォトレジストを用いて、Ｐ型半導体基板１の表面に、Ｎ型不純物としてリン（Ｐ⁺ ）のイオン注入を行ってソース３を形成する（図６（Ｅ）参照）。このイオン注入は、イオンに４０ｋｅＶ程度の加速エネルギーを与えて行い、イオンの注入量は５¹³個／ｃｍ² 程度とする。引き続き、Ｐ型半導体基板１の表面に、Ｎ型不純物としてヒ素（Ａｓ⁺ ）のイオン注入を行ってドレイン４を形成する。このイオン注入は、イオンに３５ｋｅＶ程度の加速エネルギーを与えて行い、イオンの注入量は２¹⁵個／ｃｍ² 程度とする。
【００２９】
その後は、通常のメタル配線の形成工程に移行するが、この形成工程は一般的であるので、ここではその説明は省略する。
なお、以上述べた本実施形態では、チャネル領域上にトンネル酸化膜が形成されるメモリセルで説明したが、例えば埋め込みＮ領域上にトンネル酸化膜を形成するメモリセルにも適用できる。また、本実施形態では、１つのトンネル酸化膜上に分割してＮ型領域とＰ型領域を形成したが、トンネル酸化膜を２つ設け、それぞれにＮ型領域とＰ型領域を形成しても良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明では、第１絶縁層（トンネル酸化膜）上に形成されるフローティングゲートを、Ｎ型領域とＰ型領域とから形成するようにしたので、データの書き込み時には、Ｐ型領域に空乏層が形成されないために、そこにおける電圧降下がなく、高電圧回路の低消費電力化が可能となる。
【００３１】
また、本発明では、第１絶縁層上のフローティングゲートを２分割したことにより第１絶縁層からなるトンネル領域が電気的に２分割されるので、分割された各トンネル領域の面積が従来の１／２程度に減少し、この減少は第１絶縁層への印加電圧を実効的に増加させる。このため、フローティングゲートへの電子の注入効率を高くできる上にその電子の引き抜き効率を高くでき、かつ、データの書き込み時と消去時の状態でのしきい値電圧の差を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線の断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図４】この実施形態の半導体基板とコントロールゲートとの間の電気的な等価回路である。
【図５】（Ａ）はデータの書き込み時の等価回路であり、（Ｂ）はデータの消去時の等価回路である。
【図６】本発明の実施形態の製造工程を示す断面図である。
【図７】従来技術の断面図である。
【図８】図７の半導体基板とコントロールゲートとの間の電気的な等価回路である。
【符号の説明】
１ Ｐ型半導体基板（基板）
２ チャネル領域
３ ソース領域
４ ドレイン領域
５ トンネル酸化膜
６ フローティングゲート
７ 酸化膜
８ コントロールゲート
６１ Ｎ型領域
６２ Ｐ型領域

Claims (1)

1. 基板上に形成され、ソース領域、チャネル領域、及びドレイン領域を含む活性化領域と、
   前記チャネル領域上に形成され、書き込み時または消去時に電子が通過するトンネル領域を含む第１絶縁層と、
   この第１絶縁層上に形成され、Ｎ型領域とＰ型領域を含むフローティングゲートと、
   このフローティングゲート上に形成された第２絶縁層と、
   この第２絶縁層上に形成されたコントロールゲートと、
   を備え、
   前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域は共に前記トンネル領域に接するとともに、前記トンネル領域を介して前記チャネル領域上に配置され、
   かつ、前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域との配列方向が、前記ソース領域、前記チャネル領域、及びドレイン領域の配列方向に対して直交し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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