JP4534724B2 - 不揮発性半導体メモリデバイス - Google Patents
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Description
図5(A)および図5(B)に示すように、P型半導体からなるボディ領域100(半導体基板、ウェルまたはSOI半導体層など)に、第1酸化膜101A,電荷蓄積層としての窒化膜101Bおよび第2酸化膜101Cからなる積層絶縁膜101が形成され、その上にゲート電極102が形成されている。ゲート電極102に一部重なる2つのN型のLDD(lightly doped drain)領域103sおよび103dが、互いに離れてボディ領域100に形成されている。LDD領域103sと103dとの間のボディ領域部分が、動作時にチャネルが形成されるチャネル形成領域100Aである。
これらソース105s、ドレイン105d、ゲート電極102およびボディ領域100のそれぞれは、不図示のコンタクト部および配線を介して、それぞれに適した電圧Vs,Vd,Vg,Vbが印加可能となっている。
書き込み後のしきい値電圧は、積層絶縁膜101に捕獲された電子と、読み出し時にゲート電極102に印加される正電圧との相殺により、書き込み前のしきい値電圧より大きくなる。
この場合、前述した書き込みの場合と同様に、ソース105sおよびボディ領域100を接地電位GNDで保持し、ドレイン105dに所定の正電圧Vd(+)を印加する。ただし、ゲート電極102に対しては、書き込み時と逆極性の負電圧Vg(−)を印加する。
この消去動作時に、LDD領域103dはドレイン105dよりN型不純物濃度が低く、消去動作を行う際に低電圧で正孔を発生させる役割を果す。
その原因の一つに、注入方法によって電荷注入効率が違うことが挙げられる。つまりチャネルから注入される電子は、ドレインから注入される正孔に比べ、より注入効率が高く、しかも酸化膜の電子に対するエネルギー障壁が正孔に対するエネルギー障壁より低い。したがって、積層絶縁膜内に注入された電子のピーク濃度が正孔のそれより高くなりやすい。また、ソース側からチャネルに供給されて高エネルギー化する電子と、ドレイン側で高エネルギー化する正孔とでは、注入位置にずれが生じやすい。
この2つの原因によってメモリトランジスタの動作において注入電荷の不一致が生じ、データ消去が不完全になりやすいという問題が発生していた。
このため、上記特許文献1に記載されたような2つの電荷注入方法を単に組み合わせて適用した不揮発性メモリデバイスにおいて、データの書き換え特性および保持特性を如何にして向上させるかが課題となっていた。
を有する。
この構成では、前記コントロール電極を、いわゆるサイドウォール導電層とすることができる。そのため、ドレインの主部とエクステンション部の形成時のマスク層とコントロール電極とを兼用できる。
好適に、前記電圧供給回路は、前記積層絶縁膜内に第1極性電荷を注入するときは、前記コントロール電極に第2極性の電圧を印加する。
このときチャネル形成領域側でも不純物濃度を高めておくと、この電界集中がさらに加速される。本発明においてチャネル形成領域のエクステンション部に隣接する部分の第1導電型不純物濃度が他の部分より高くすることが望ましいのは、この理由による。
以上の結果、蓄積絶縁膜内で第1極性電荷と第2極性電荷との再結合効率、すなわち保持電荷の相殺確率が高まる。そのためデータ書き換えごとの閾値が安定し、不揮発性メモリデバイスのデータの書き換え特性および保持特性が向上する。
不揮発性メモリデバイスは、多数のメモリトランジスタを規則的に配置したメモリセルアレイを有する。図1は、その基本構成を示すものである。したがって、図1に示す平面図は実際のセル平面と、コンタクト部の有無を含め異なる場合がある。また、メモリセルアレイには、書き込み、消去、読み出し、電源供給、セル選択に関する様々な回路が接続されているが、図1において、メモリトランジスタMTと、その各部に必要な極性と大きさの電圧を供給するための電圧供給回路20とのみを示している。電圧供給回路20とメモリトランジスタMTとの接続は、図示を省略したコンタクト、配線によって達成されている。
コントロール電極6Dとエクステンション部4E、コントロール電極6Dとゲート電極3、コントロール電極6Sとエクステンション部5E、コントロール電極6Sとゲート電極3の間に、絶縁膜7が介在している。これによってコントロール電極とゲート電極間、コントロール電極とエクステンション部とが電気的に絶縁されている。ドレイン側のコントロール電極6Dとソース側のコントロール電極6Sは、図1の平面図において接続されていることから、その接続箇所を含め、以下、「コントロール電極6」と総称することがある。
用意した半導体基板に素子分離絶縁層(不図示)およびPウェル(ボディ領域1)を形成する。また、閾値電圧調整用のイオン注入を行う。
つぎに、ボディ領域1上に積層絶縁膜2を形成する。熱酸化法により酸化シリコン膜(第1酸化膜2A)を形成し、その上に、たとえばLP−CVD法などにより窒化シリコン膜(窒化膜2B)を形成する。窒化膜2Bの表面を熱酸化する方法などにより酸化シリコン膜(第2酸化膜2C)形成する。これにより、トラップレベル(窒化シリコン膜の伝導帯からのエネルギー差)が深いディープトラップが、窒化膜2Bと第2酸化膜2Cとの界面を中心として多く形成され、窒化膜2B内のバルクトラップとともに、電荷を捕獲する手段として機能する電荷トラップが高密度で形成される。
つぎに、酸化シリコン膜などにより上記積層体とボディ領域1の表面を覆い、コントロール電極6となる導電膜(ポリシリコン膜)を厚く堆積する。コントロール電極6のコンタクト部6C(図1参照)の領域をマスク層で保護した後、ポリシリコン膜を異方性エッチングによりエッチバックし、コントロール電極6を形成する。このとき図1に示すコンタクト部6Cは矩形パターンとして残り、また、積層絶縁膜2とゲート電極3との積層体の周囲にサイドウォール導電層としてのコントロール電極6Dおよび6Sが形成される。
このコントロール電極6Dおよび6S、ゲート電極3および素子分離絶縁層などを自己整合マスクとして、さらにN型不純物をイオン注入する。これによりドレインの主部4Mとソースの主部5Mが形成される。
その後は、活性化アニールを行い、必要に応じて層間絶縁層の堆積、コンタクト形成、上層配線の形成を行う。最後に、オーバーコートの成膜とパッドの開口工程等を経て、当該MONOSメモリトランジスタMTを完成させる。
書き込み後のしきい値電圧は、積層絶縁膜2に捕獲された電子と、読み出し時にゲート電極3に印加される正電圧との相殺により、書き込み前のしきい値電圧より大きくなる。
図3(A)に示すようにドレインから正孔を注入する消去においては、正孔の注入効率が低いことから正孔分布31は、そのピーク濃度が電子分布30のそれより低く、かつ、相対的にドレイン側に偏った位置31Aにある。これに対しコントロール電極6Dによる制御を適切に行うと、書き込み時の電子分布30が位置30Aからドレイン側に移動し、また消去時の正孔分布31も位置31Aからドレイン側に移動する。このとき正孔分布31のピーク濃度を上げることができ、このことと電子分布30の移動の程度を正孔より相対的に大きくすることとによって、図3(B)に示すように電子分布30と正孔分布31とを位置的および電荷量的にほぼ揃えることが可能となる。
Claims (3)
- 基体に支持されている半導体層内または半導体基板内に互いに離れて形成され、その間の領域が第1導電型のチャネル形成領域である第2導電型のソースおよびドレインと、
前記チャネル形成領域の上に形成され、下層から順に第1酸化膜、電荷保持窒化膜および第2酸化膜からなるMONOS型膜構造、MNOS型膜構造、または、微細な導電粒子を絶縁膜中に埋め込んだ膜構造を有し、第1極性電荷の保持量に応じてデータの書き込みまたは消去の状態が決められる積層絶縁膜と、
前記積層絶縁膜上のゲート電極と、
前記ドレインの一部として、その主部のチャネル形成領域側に形成され、前記積層絶縁膜に第2極性電荷を注入して前記データの書き込みまたは消去の状態を変化させるときに第2極性電荷をその表面部に蓄積するエクステンション部と、
前記積層絶縁膜および前記ゲート電極の側面に絶縁膜を介して形成され、当該絶縁膜が前記エクステンション部の上に延在することで、当該絶縁膜の延在部を介してエクステンション部と絶縁されたコントロール電極と、
前記積層絶縁膜内に第1極性電荷を注入するときに、前記ソースを接地電位で保持し、前記ドレインと前記ゲート電極に第2極性の電圧を印加し、前記積層絶縁膜内に第2極性電荷を注入するときに、前記ソースを接地電位で保持し、前記ドレインに第2極性の電圧を印加し、前記ゲート電極に第1極性の電圧を印加し、前記エクステンション部の表面に第2極性電荷を蓄積して前記積層絶縁膜内に注入するとともに第2極性電荷の前記積層絶縁膜内における注入位置を制御するために前記ゲート電極に印加する第1極性の電圧とは独立に前記コントロール電極に第1極性の電圧を印加する電圧供給回路と、
を有する不揮発性半導体メモリデバイス。 - 前記チャネル形成領域の前記エクステンション部に隣接する部分の第1導電型不純物濃度が、当該隣接する部分以外の前記チャネル形成領域の部分の第1導電型不純物濃度より高い
請求項1に記載の不揮発性半導体メモリデバイス。 - 前記電圧供給回路は、前記積層絶縁膜内に第1極性電荷を注入するときは、前記コントロール電極に第2極性の電圧を印加する
請求項1または2に記載の不揮発性半導体メモリデバイス。
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