JP4222675B2

JP4222675B2 - 不揮発性半導体記憶装置

Info

Publication number: JP4222675B2
Application number: JP8680699A
Authority: JP
Inventors: 正寛小野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-03-29
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2019-03-29
Also published as: JP2000286348A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関し、更に言えば、スプリットゲート型のフラッシュメモリのデバイス特性の向上並びに微細化を可能にする不揮発性半導体記憶装置を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メモリセルが単一のトランジスタからなる電気的に消去可能な不揮発性半導体記憶装置、特にプログラマブルＲＯＭ(EEPROM:Electrically Erasable and Programmable ROM)においては、フローティングゲートとコントロールゲートとを有する２重ゲート構造のトランジスタによって各メモリセルが形成される。このような２重ゲート構造のメモリセルトランジスタの場合、フローティングゲートのドレイン領域側で発生したホットエレクトロンを加速してフローティングゲートに注入することでデータの書き込みが行われる。そして、Ｆ−Ｎ伝導(Fowler- Nordheim tunnelling)によってフローティングゲートからコントロールゲートへ電荷を引き抜くことでデータの消去が行われる。
【０００３】
図７及び図８は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のメモリセル部分を示す平面図及び断面図である。この図においては、コントロールゲートがフローティングゲートと並んで配置されるスプリットゲート構造を示している。
【０００４】
Ｐ型のシリコン基板１の表面領域に、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation Of Silicon）法により選択的に厚く形成されるＬＯＣＯＳ酸化膜よりなる複数の素子分離膜２（図７参照）が短冊状に形成され、素子領域が区画される。シリコン基板１上に、酸化膜３Ａを介し、隣り合う素子分離膜２の間に跨るようにしてフローティングゲート４が配置される。このフローティングゲート４は、１つのメモリセル毎に独立して配置される。また、フローティングゲート４上の選択酸化膜５は、選択酸化法によりフローティングゲート４の中央部で厚く形成され、フローティングゲート４の端部を鋭角にしている。これにより、データの消去動作時にフローティングゲート４の端部で電界集中が生じ易いようにしている。
【０００５】
複数のフローティングゲート４が配置されたシリコン基板１上に、フローティングゲート４の各列毎に対応して前記酸化膜３Ａと一体化されたトンネル酸化膜３を介してコントロールゲート６が配置される。このコントロールゲート６は、一部がフローティングゲート４上に重なり、残りの部分が酸化膜３Ａを介してシリコン基板１に接するように配置される。また、これらのフローティングゲート４及びコントロールゲート６は、それぞれ隣り合う列が互いに面対称となるように配置される。
【０００６】
隣り合うコントロールゲート６間の基板領域及び隣り合うフローティングゲート４間の基板領域には、Ｎ型のドレイン領域７及びソース領域８が形成される。ドレイン領域７は、コントロールゲート６の間で素子分離膜２に囲まれてそれぞれが独立し、ソース領域８は、コントロールゲート６の延在する方向に連続する。これらのフローティングゲート４、コントロールゲート６、ドレイン領域７及びソース領域８によりメモリセルトランジスタが構成される。
【０００７】
そして、前記コントロールゲート６上に、酸化膜９を介して、金属配線１０がコントロールゲート６と交差する方向に配置される。この金属配線１０は、コンタクトホール１１を通して、ドレイン領域７に接続される。そして、各コントロールゲート６は、ワード線となり、コントロールゲート６と平行に延在するソース領域８は、ソース線となる。また、ドレイン領域７に接続される金属配線１０は、ビット線となる。
【０００８】
このような２重ゲート構造のメモリセルトランジスタの場合、フローティングゲート４に注入される電荷の量によってソース、ドレイン間のオン抵抗値が変動する。そこで、フローティングゲート４に選択的に電荷を注入することにより、特定のメモリセルトランジスタのオン抵抗値を変動させ、これによって生じる各メモリセルトランジスタの動作特性の差を記憶するデータに対応づけるようにしている。
【０００９】
以上の不揮発性半導体記憶装置におけるデータの書き込み、消去及び読み出しの各動作は、例えば、以下のようにして行われる。書き込み動作においては、コントロールゲート６の電位を２Ｖ、ドレイン領域７（電極）の電位を０．５Ｖ、ソース領域８（電極）の高電位を１２Ｖとする。これにより、ソース領域８に高電位を印加することで、コントロールゲート６及びフローティングゲート４間とフローティングゲート４及びソース領域８間とのカップリング比（コントロールゲート６及びフローティングゲート４間の容量＜フローティングゲート４及びソース領域８間の容量）によりフローティングゲート４の電位が９Ｖ程度に持ち上げられ、ドレイン領域７付近で発生するホットエレクトロンがフローティングゲート４側へ加速され、酸化膜３Ａを通してフローティングゲート４に注入されてデータの書き込みが行われる。
【００１０】
一方、消去動作においては、ドレイン領域７及びソース領域８の電位を０Ｖとし、コントロールゲート６を１４Ｖとする。これにより、フローティングゲート４内に蓄積されている電荷（電子）が、フローティングゲート４の角部の鋭角部分からＦ−Ｎ（Fowler-Nordheim tunnelling）伝導によって前記トンネル酸化膜３を突き抜けてコントロールゲート６に放出されてデータが消去される。
【００１１】
そして、読み出し動作においては、コントロールゲート６の電位を４Ｖとし、ドレイン領域７を２Ｖ、ソース領域８を０Ｖとする。このとき、フローティングゲート４に電荷（電子）が注入されていると、フローティングゲート４の電位が低くなるため、フローティングゲート４の下にはチャネルが形成されずドレイン電流（セル電流もしくは読み出しセル電流とも言う）は流れない。逆に、フローティングゲート４に電荷（電子）が注入されていなければ、フローティングゲート４の電位が高くなるため、フローティングゲート４の下にチャネルが形成されてドレイン電流が流れる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このような不揮発性半導体記憶装置では、フローティングゲート４に蓄積された電荷（電子）をコントロールゲート６に引き抜くことで、データ消去を行っている。即ち、コントロールゲート６は上記読み出し動作時の読み出し電流発生用と消去ゲートとしての役割が持っていた。
【００１３】
そのため、上述したように消去動作時に高電圧が印加されるコントロールゲート６下のゲート酸化膜厚は、信頼性確保のために薄くできなかった。従って、読み出し電流の発生効率が低いと共に、しきい値電圧が比較的高くなるので、書き込み効率が低い、低電圧動作に不向きといった構造上の問題があった。
【００１４】
更には、図９に示すように読み出し動作時には、選択されたメモリセルと同一のワード線（ＷＬ１）に接続されている非選択のメモリセルのデータが消去されてしまうという、いわゆるリードディスターブ不良が発生する危険性もあった。
【００１５】
また、前述したように書き込み時にフローティングゲート４に高電位を印加する際、実際にはソース領域８に高電位を印加することでフローティングゲート４を高電位にしているが、ソース領域８は拡散領域から成るため、自ずと高抵抗となり、ソース電位降下による書き込み動作遅延の原因となっていた。
【００１６】
更に、フローティングゲート４とコントロールゲート６との間で、それぞれ高いマスク合せ精度が要求されるといった課題があり、更なる微細化を図ろうとした場合に支障があった。
【００１７】
従って、本発明はデバイス特性に優れ、微細化に有利な不発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、第１，第２の拡散領域を有する半導体基板上にフローティングゲートとコントロールゲートとを有するものにおいて、隣り合うメモリセル同士の前記フローティングゲートにトンネル酸化膜を介して隣接するように形成された消去ゲートを具備し、前記第１の拡散領域と前記消去ゲート間を導通あるいは遮断するためのスイッチ機構が形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、第１，第２の拡散領域を有する半導体基板上に形成された第１，第２のゲート酸化膜と、前記第１の拡散領域の両端部にそれぞれ隣接するように前記第１のゲート酸化膜上に形成されたフローティングゲートと、前記フローティングゲートと前記第２の拡散領域に隣接するように第２のゲート酸化膜上に形成されたコントロールゲートと、前記フローティングゲートにトンネル酸化膜を介して隣接するように前記第１の拡散領域上に形成された消去ゲートを具備し、前記第１の拡散領域と前記消去ゲート間を導通あるいは遮断するためのスイッチ機構が形成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
更に、前記スイッチ機構は、データの書き込み動作時にはオンし、消去動作時にはオフするＭＯＳトランジスタから成ることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の不揮発性半導体記憶装置に係る一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
ここで、本発明の不揮発性半導体記憶装置の第１の特徴は、図１に示すように一導電型、例えばＰ型のシリコン基板５１の表層に形成したソース領域６１の両端部にそれぞれ隣接するように第１のゲート酸化膜５３上に形成されたフローティングゲート６７と、前記フローティングゲート６７とドレイン領域７４に隣接するように第２のゲート酸化膜６９上に形成されたコントロールゲート７０と、前記フローティングゲート６７にトンネル酸化膜６２Ｂを介して隣接するように前記ソース領域６１上に形成され、かつある間隔を存して前記ソース領域６１とコンタクト接続された消去ゲート６４とを具備させたことである。
【００２２】
また、第２の特徴は、図２に示すように前記ソース領域６１と消去ゲート６４との間には、データの書き込み動作時にはオンしてソース領域６１と消去ゲート６４間を導通させ、消去動作時にはオフしてソース領域６１と消去ゲート６４間を遮断するＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂから成るスイッチ機構を具備させたことである。
【００２３】
以下、上記不揮発性半導体記憶装置の製造工程を説明しながら、本発明構造について詳しく説明する。
【００２４】
先ず、図３（ａ）に示すように、半導体シリコン基板５１には素子分離膜５２が形成されている。尚、素子分離膜５２はＬＯＣＯＳ法によるものであっても良いが、本実施形態ではトレンチ法を用いた素子分離膜５２を形成している。このトレンチ素子分離膜は、周知な工程により形成されているもので、例えば、前記基板５１上を熱（ゲート）酸化しておよそ８０Å〜１５０Åの膜厚の第１のゲート酸化膜５３を形成し、その上におよそ１５００Åの膜厚のポリシリコン膜５４を形成した後に、このポリシリコン膜５４にＰＯＣｌ₃を熱拡散源としてリンドープを施して導電化を図る。尚、リンイオンやヒ素イオン等のＮ型不純物をイオン注入する導電化方法でも良い。次に、このポリシリコン膜５４上におよそ２００Åの膜厚のシリコン酸化膜を形成し、その上におよそ５００Åの膜厚のシリコン窒化膜を形成し、レジスト膜をマスクにして前記シリコン窒化膜，シリコン酸化膜，ポリシリコン膜５４，シリコン酸化膜５３、そして基板５１の一部をエッチング除去して基板５１の一部にまで到達する凹部を形成した後に、この凹部を完全に埋設するだけのシリコン酸化膜（素子分離膜５２を構成する）を全面に形成する。そして、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用いて、ポリシリコン膜５４上面が露出するまで研磨してなるものである。
【００２５】
以下の説明に用いる図１（ａ）及び図３（ｂ）〜図６（ｃ）までは、特にメモリセル部の形成工程を説明するために用いたメモリセル部の形成領域を示す断面図であり、図３（ａ）の紙面に対して垂直方向から観たものである。
【００２６】
次に、図３（ｂ）に示すように全面におよそ２００Åの膜厚のシリコン酸化膜５５を形成し、その上におよそ４０００Åの膜厚のシリコン窒化膜５６を形成し、レジスト膜５７をマスクにして前記シリコン窒化膜５６，シリコン酸化膜５５，ポリシリコン膜５４の一部をエッチング除去してポリシリコン膜５４の一部にまで到達する凹部５８を形成する。そして、レジスト膜５７を除去した後に、この凹部５８を完全に埋設するだけのシリコン酸化膜を全面に形成し、ＣＭＰ法を用いて全面を研磨することで、凹部５８内をシリコン酸化膜５９で埋設する（図３（ｃ）参照）。
【００２７】
続いて、図４（ａ）に示すようにレジスト膜６０を形成し、このレジスト膜６０をマスクにして前記シリコン窒化膜５６を等方性エッチングした後に，シリコン酸化膜５５，ポリシリコン膜５４を異方性エッチングする。本工程により後述する隣り合うメモリセルを構成するフローティングゲート形成用のポリシリコン膜５４同士が分離される。続けて、リンイオンやヒ素イオン等のＮ型不純物をイオン注入することで、この隣り合うフローティングゲート６７間の基板表層にソース領域６１を形成する。尚、ソース領域６１は、後述するドレイン領域と共に後工程のアニール工程によりイオンが拡散されることで、ソース・ドレイン領域となるが、ここでは便宜的に説明している。
【００２８】
更に、図４（ｂ）に示すように全面をフッ酸処理して前記ポリシリコン膜５４上のシリコン酸化膜５９を後退させて（シリコン酸化膜５９Ａ参照）、ポリシリコン膜５４の尖鋭部５４Ａを露出させた後に、全面にＬＰＣＶＤ法によりおよそ２５０Åの膜厚のＣＶＤシリコン酸化膜（例えば、ＨＴＯ（High Temperature Oxide）膜やＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）膜等）６２を形成している。尚、このシリコン酸化膜６２が後述するトンネル酸化膜６２Ｂとなる。また、トンネル酸化膜６２Ｂは、前記ＣＶＤシリコン酸化膜を形成した後に、熱酸化を行うようにしてＣＶＤシリコン酸化膜と熱酸化膜から構成しても良い。更に、前記尖鋭部５４Ａの存在により、後述するフローティングゲート６７に蓄積されている電荷（電子）を消去ゲート６４に引き抜く際（データの消去動作時）に、この尖鋭部５４Ａで電界集中が生じ易くなり、消去効率が向上する。
【００２９】
続いて、図４（ｃ）に示すように前述した隣り合うフローティングゲート６７間の凹部６３が完全に埋設するだけの導電化されたポリシリコン膜を形成した後に、ＣＭＰ法により全面を研磨することで、凹部６３内がポリシリコン膜から成る消去ゲート６４により埋設される。そして、少なくとも前記消去ゲート６４を完全に被覆するようにレジスト膜６５を形成した後に（図５（ａ）参照）、このレジスト膜６５をマスクにして前記シリコン酸化膜５９の側部に形成されたシリコン窒化膜５６を等方性エッチングする。
【００３０】
次に、図５（ｂ）に示すように全面をフッ酸処理してポリシリコン膜５４上のシリコン酸化膜５５を除去すると共に、シリコン酸化膜５９Ａ，６２を後退させてシリコン酸化膜５９Ｂ，６２Ａを形成した後に、更にレジスト膜６５をマスクにしてポリシリコン膜５４を異方性エッチングすることでフローティングゲート６７を形成する。このエッチング工程により、シリコン酸化膜５３の一部も削られる（シリコン酸化膜５３Ａ参照）。尚、完全にエッチング除去されても構わない。
【００３１】
続いて、図５（ｃ）に示すように全面にＣＶＤ法によりおよそ４００Åの膜厚のシリコン酸化膜を形成した後に、このシリコン酸化膜をエッチバックして前記フローティングゲート６７とシリコン酸化膜５９Ｂの積層部の側壁部にのみ残膜させて、シリコン酸化膜６８を形成する。このエッチバック工程により、シリコン酸化膜５３Ａが完全に削られる。
【００３２】
更に、図６（ａ）に示すように全面を熱（ゲート）酸化しておよそ５０Åの膜厚の第２のゲート酸化膜６９を形成し、その上におよそ４０００Åの膜厚の導電化されたポリシリコン膜を形成した後に、このポリシリコン膜を異方性エッチングすることでシリコン酸化膜６８の側壁部にコントロールゲート７０を形成する。尚、その後に、消去ゲート６４を完全に被覆するように不図示のレジスト膜を形成し、このレジスト膜をマスクにして前記コントロールゲート形成用のポリシリコン膜をエッチング除去することで隣り合うメモリセル用のコントロールゲート７０が完全に分離される。
【００３３】
続けて、全面にリンイオンあるいはヒ素イオン等のＮ型不純物をイオン注入することで、前記コントロールゲート７０に隣接するように基板表層に低濃度のドレイン領域７１を形成する。更に、図６（ｂ）に示すように全面にＣＶＤ法によりおよそ１５００Åの膜厚のシリコン酸化膜を形成した後に、このシリコン酸化膜をエッチバックして前記コントロールゲート７０の側壁部にのみ残膜させて、側壁絶縁膜７３を形成する。このとき、シリコン酸化膜の膜厚あるいはエッチバック量を調整することで、コントロールゲート７０上部が露出するように設定しておくことで、後述する高濃度のドレイン領域７４の形成位置上のゲート酸化膜６９を除去すると共に、ゲート酸化時に消去ゲート６４上に形成されたシリコン酸化膜も除去される。
【００３４】
そして、全面にリンイオン及びヒ素イオン等のＮ型不純物をイオン注入することで、前記側壁絶縁膜７３に隣接するように基板表層に高濃度のドレイン領域７４を形成して、ＤＤＤ構造のドレイン領域となる。
【００３５】
次に、図６（ｃ）に示すように全面に被シリサイド化膜としての金属膜、例えばチタン（Ｔｉ）膜をスパッタ形成した後に、このチタン膜を蒸着し熱処理（ラピット・サーマル・アニール、以下ＲＴＡと称す。）を加えることでシリサイド化を図り、側壁絶縁膜７３，シリコン酸化膜５９Ｂ上の未反応のチタン膜を除去することで、前記ドレイン領域７４，コントロールゲート７０，消去ゲート６４の表層にそれぞれ選択的、自己整合的にチタンシリサイド（ＴｉＳｉ₂）膜７５，７６，７７を形成する。尚、ＲＴＡ処理は、過剰なシリサイド化が進まないように２ステップで行っている。即ち、第１回目のＲＴＡ処理をおよそ６５０℃〜７００℃で、１０〜４５秒ほど行い、続いて第２回目のＲＴＡ処理をおよそ７５０℃〜８５０℃で、１０〜４５秒ほど行っている。このドレイン領域７４，コントロールゲート７０，消去ゲート６４上に形成されたチタンシリサイド（ＴｉＳｉ₂）膜７５，７６，７７により低抵抗化が図られている。
【００３６】
そして、図１（ａ）に示すように、全面にＢＰＳＧ膜から成る層間絶縁膜７８を形成した後に、前記ドレイン領域７４上にコンタクトするコンタクトホール７９を形成し、このドレイン領域７４上に不図示のバリアメタル膜（例えば、チタン膜及びチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜との積層膜）を介してコンタクトプラグ（例えば、タングステン膜から成る）８０を形成し、このコンタクトプラグ８０上に金属膜８１（例えば、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等）を形成し、金属配線を形成している。尚、バリアメタル膜を介して直接、例えば、Ａｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｃｕ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等から成る金属配線を形成するものであっても良い。
【００３７】
以上の工程を経て、不揮発性半導体記憶装置が形成される。図１（ｂ）は、図１（ａ）のメモリセルの各構成要素を示すためにその一部を便宜的に図示した平面図である。ここで、図１（ｂ）に示す平面図において、不図示の領域で前記消去ゲート６４は分割され、下層のソース領域６１が露出するように構成されている。このソース領域６１が露出した領域で（図２（ｂ）に示す模式的な平面図参照）、ソース領域６１と消去ゲート６４とは後述するスイッチ機構を介して接続されている。
【００３８】
以下、図２（ａ）の等価回路図に示すような、ある間隔毎にソース領域６１と消去ゲート６４との間に介在し、ソース領域６１と消去ゲート６４とを電気的に接続するスイッチ機構について説明する。
【００３９】
スイッチ機構は、一般的なＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂから成り、図２（ａ）に示すように第１の拡散領域（例えば、ソース領域）が前記消去ゲート６４（ＥＧ）にコンタクト接続され、第２の拡散領域（例えば、ドレイン領域）が前記ソース領域６１（ＳＬ）にコンタクト接続され、そのゲート電極が信号線Ｃにコンタクト接続されているものである。
【００４０】
尚、ソース領域６１（ＳＬ）を介して隣り合うようにして形成される一対のメモリセルを丸で囲んだＡ，Ｂで示す。この一対のメモリセルＡ，Ｂが、ソース領域６１（ＳＬ）に沿って多数配置されており、ある間隔毎（セル面積にもよるが、例えば、１６ビットあるいは３２ビット毎、それ以上）に複数のＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂ…が形成されている。もちろん、１個でも良い。
【００４１】
そして、詳しい説明は、後述するデータの書き込み、消去及び読み出しの各動作説明の項目に譲るが、データの書き込み動作時には各ＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂがオンすることでソース領域６１と消去ゲート６４間が導通し、消去動作時にはオフすることでソース領域６１と消去ゲート６４間が遮断されるように機能する。
【００４２】
以上の不揮発性半導体記憶装置におけるデータの書き込み、消去及び読み出しの各動作は、例えば、以下のようにして行われる。
【００４３】
先ず、書き込み動作においては、例えば、コントロールゲート７０の電位を１Ｖ、ドレイン領域７４（電極）の電位を０．５Ｖ、ソース領域６１（電極）の電位を１０Ｖ、消去ゲート６４の電位を１０Ｖとする。
【００４４】
このとき、前記スイッチ機構としての各ＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂの各部の電位は以下の通りとなり、即ち、前記消去ゲート６４（ＥＧ）にコンタクト接続されたソース領域（電極）には１０Ｖが、また前記ソース領域６１（ＳＬ）にコンタクト接続されたドレイン領域（電極）にも１０Ｖが、信号線Ｃにコンタクト接続されたゲート電極にはおよそ１４Ｖの電位が印加されるため、各ＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂがオンしてソース領域６１の電位はおよそ１０Ｖとなる。更に言えば、書き込み動作時において、フローティングゲート６７への電位の供給は、従来の拡散領域構成のソース領域６１からの供給に加えて（拡散領域に比して低抵抗な）導電体の消去ゲート６４からも供給されることになり、動作特性の向上が図れ、書き込み効率が向上する。
【００４５】
これにより、ソース領域６１及び消去ゲート６４に高電位を印加することで、コントロールゲート７０及びフローティングゲート６７間とフローティングゲート６７及び基板（ソース領域６１）間とのカップリング比（コントロールゲート７０及びフローティングゲート６７間の容量＜フローティングゲート６７及びソース領域６１間の容量）によりフローティングゲート６７の電位が１１Ｖ程度に持ち上げられ、ドレイン領域７４付近で発生するホットエレクトロンがフローティングゲート６７側へ加速され、ゲート酸化膜５３を通してフローティングゲート６７に注入されてデータの書き込みが行われる。
【００４６】
一方、消去動作においては、例えば、ドレイン領域７４，ソース領域６１及びコントロールゲート７０の電位を０Ｖとし、消去ゲート６４の電位を１４Ｖとする。尚、このときのフローティングゲート６７の電位は、フローティング状態である。これにより、フローティングゲート６７内に蓄積されている電荷（電子）が、フローティングゲート６７の尖鋭部５４ＡからＦ−Ｎ（Fowler-Nordheim tunnelling）伝導によって前記トンネル酸化膜６２Ｂを突き抜けてコントロールゲート７０に放出されてデータが消去される。
【００４７】
このとき、各ＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂの各部の電位は以下の通りとなり、即ち、前記消去ゲート６４（ＥＧ）にコンタクト接続されたソース領域（電極）には１４Ｖが、また前記ソース領域６１（ＳＬ）にコンタクト接続されたドレイン領域（電極）には０Ｖが、信号線Ｃにコンタクト接続されたゲート電極には信号線Ｃからおよそ０Ｖの電位が印加されるため、各ＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂがオフしてソース領域６１と消去ゲート６４間が遮断される。
【００４８】
そして、読み出し動作においては、例えば、コントロールゲート７０の電位を２Ｖとし、ドレイン領域７４を１Ｖ、ソース領域６１及び消去ゲート６４の電位を０Ｖとする。尚、このときのフローティングゲート６７の電位は、フローティング状態である。そして、このときにフローティングゲート６７に電荷（電子）が注入されていると、フローティングゲート６７の電位が低くなるため、フローティングゲート６７の下にはチャネルが形成されずドレイン電流（セル電流もしくは読み出しセル電流とも言う）は流れない。逆に、フローティングゲート６７に電荷（電子）が注入されていなければ、フローティングゲート６７の電位が高くなるため、フローティングゲート６７の下にチャネルが形成されてドレイン電流が流れる。この場合の各ＭＯＳトランジスタ９０ａ，９０ｂも、ソース領域６１及び消去ゲート６４の電位が共に０Ｖとし、信号線ＣのゲートにはＶｃｃ電圧を入れておく。これによって、読み出し動作時のドレイン電流もソース領域６１を流れるときに比して高くできる。
【００４９】
ここで、本発明の特徴を整理すると、従来構造で消去ゲートの役目も兼ねていたセル（読み出し）電流のコントロールゲート６に代えて、消去専用の消去ゲート６４を形成したことで、消去動作時にコントロールゲートに高電圧が印加されることがなくなり、その下のゲート酸化膜６９の膜厚（ゲート酸化膜６９＜フローティングゲート６７下のゲート酸化膜５３＜消去ゲート６４下のゲート酸化膜５３＋トンネル酸化膜６２Ｂ）は適正な膜厚に設定でき、従来構成に比して読み出し電流を増大させることができる。そのため、例えば、多値化を図る場合等にも有効である。更に、しきい値電圧が比較的低くなり、書き込み動作時のコントロールゲート７０−フローティングゲート６７間の電界を上げられるので、書き込み効率が高く、低電圧動作に有利な構造である。
【００５０】
また、書き込み動作時において、フローティングゲート６７への電位の供給は、従来の拡散領域構成のソース領域６１からの供給に加えて導電体の消去ゲート６４からも供給されることになり、書き込み効率の向上が図れる。
【００５１】
更には、読み出し動作時に読み出し電圧を印加するコントロールゲート７０が従来構造のように消去ゲートを兼ねないため、従来の読み出し動作時に発生していた、選択されたメモリセルと同一のワード線（ＷＬ１）に接続されている非選択のメモリセルのデータが消去されてしまうという、いわゆるリードディスターブ不良の発生を回避できる。従って、トンネル酸化膜６２Ｂの膜厚の低減が図れ、消去動作時にこのトンネル酸化膜６２Ｂにトラップされる電荷（電子）の割合も膜厚に比例して減ることになり、データの書き換え回数を増大させることができる。
【００５２】
また、消去ゲート６４とフローティングゲート６７とコントロールゲート７０とをセルフアラインで形成できるために、微細化に有利な構成である。
【００５３】
また、前記素子分離膜５２が基板５１の一部を削って形成した凹部内にＣＶＤ法によるシリコン酸化膜を埋め込み形成しているため、従来のＬＯＣＯＳ法による素子分離膜に比して、より短い素子分離領域内に厚い素子分離膜を形成できるため、素子分離能力が向上する。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、消去専用ゲートを形成したことで、消去動作時にコントロールゲートに高電圧が印加されることがなくなり、その下のゲート酸化膜厚は適正な膜厚に設定でき、読み出し電流の発生効率を向上させることができる。
【００５５】
また、しきい値電圧が比較的低くなるので、書き込み効率が高く、低電圧動作に有利な構造である。
【００５６】
更に、書き込み動作時において、フローティングゲートへの電位の供給を、従来の拡散領域構成のソース領域からの供給に加えて消去ゲートからも供給することで、動作特性の向上が図れ、書き込み効率を向上させることができる。
【００５７】
また、従来構成における読み出し動作時に発生していたリードディスターブ不良の発生を回避できる。
【００５８】
また、消去ゲートとフローティングゲートとコントロールゲートとをセルフアラインで形成できるために、微細化に有利な構成である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置におけるソース領域と消去ゲートとの接続状態を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の不発性半導体記憶装置の製造方法を示す図である。
【図７】従来の不発性半導体記憶装置を示す平面図である。
【図８】従来の不発性半導体記憶装置を示す断面図である。
【図９】従来の不発性半導体記憶装置の課題を説明するための図である。

Claims

第１，第２の拡散領域を有する半導体基板上にフローティングゲートとコントロールゲートとを有する不揮発性半導体記憶装置において、
隣り合うメモリセル同士の前記フローティングゲートにトンネル酸化膜を介して隣接するように形成された消去ゲートを具備し、前記第１の拡散領域と前記消去ゲート間を導通あるいは遮断するためのスイッチ機構が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。
第１，第２の拡散領域を有する半導体基板上に形成された第１，第２のゲート酸化膜と、
前記第１の拡散領域の両端部にそれぞれ隣接するように前記第１のゲート酸化膜上に形成されたフローティングゲートと、
前記フローティングゲートと前記第２の拡散領域に隣接するように第２のゲート酸化膜上に形成されたコントロールゲートと、
前記フローティングゲートにトンネル酸化膜を介して隣接するように前記第１の拡散領域上に形成された消去ゲートを具備し、前記第１の拡散領域と前記消去ゲート間を導通あるいは遮断するためのスイッチ機構が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。
前記スイッチ機構は、データの書き込み動作時にはオンし、消去動作時にはオフするＭＯＳトランジスタから成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の不揮発性半導体記憶装置。