JP4632520B2 - フラッシュメモリ素子 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はフラッシュメモリ素子に係り、特にトンネル酸化膜内に電荷が集中することを抑えてセルが過消去されないようにするためのフラッシュメモリ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、フラッシュメモリ素子の消去動作はセクタ(512Kのセル)単位で行う。消去動作は主にF−Nトンネリングを用いて行うが、特定セルのソース側トンネル酸化膜内に電荷が蓄積されると、障壁の高さ(Barrier Height)が低くなる。
【0003】
図1a及び図1bはフラッシュメモリセルでF−Nトンネリング現象を説明するための図である。
【0004】
図1aは一般的なフラッシュメモリセルにおけるF−Nトンネリング現象を示すもので、フローティングゲートFGに貯えられた電荷がトンネル酸化膜11を通してソースS側に通り抜けることを示す。
【0005】
図1bはチャージアップ(Charge-up)されたフラッシュメモリセルにおけるF−Nトンネリング現象を示すもので、トンネル酸化膜11に蓄積されたポジティブ電荷12によってフローティングゲートFGからソースS側に移動する電荷の速度が速くなる。この結果、トンネル酸化膜にポジティブ電荷が蓄積されていない他のセルに比べて消去速度が速くて、過消去されたセルが発生するという問題点がある。
【0006】
図2はフラッシュメモリセルでチャージアップメカニズムを説明するための図であり、NMOS素子でプラズマによってトンネル酸化膜及びフローティングゲートに電荷が集中するメカニズムを説明するためのものである。
【0007】
まず、一般的なフラッシュメモリセルの構造を説明する。半導体基板21に形成されたPウェル22上にゲート酸化膜、フローティングゲート24、誘電体膜及びコントロールゲート25の積層構造を有するゲート電極が形成され、ゲート電極両側のPウェル22に接合領域(ソース領域23)が形成される。ソース領域23と金属線27は金属コンタクト26を介して接触し、金属線27はバイアホール28を介して外部(デコーダなど)に接続される。
【0008】
このような構造において、バイアホール28のエッチング時、金属線を介してポジティブ電荷及びネガティブ電荷が伝導されて接合領域23に蓄積される。図2に示したセルはN型なので、ネガティブ電荷は接合領域23を介してPウェル22及び半導体基板21に通り抜ける反面、ポジティブ電荷は接合領域23に蓄積される。このように接合領域23に蓄積されたポジティブ電荷によってセルの消去速度が速くなって過消去されたセルが発生する。次に、かかる問題について図3を参照して詳細に説明する。
【0009】
図3a及び図3bは従来のフラッシュメモリセル及びセルアレイのレイアウト図である。図3aは単位セルのレイアウト図であり、一つのセルは大きくフィールド酸化膜31、ゲート電極32、ソースS及びドレインDから構成される。
【0010】
図3bは図3aのような単位セルからなる5×2メモリセルアレイのレイアウト図である。5つの単位セルからなるセルブロックの第1ソース線S1は同じ構造をもつセルブロックの第2ソース線S2と共通ソースCS線に接続される。図2で説明したように、バイアホール35のエッチング時、共通ソース線CSに金属コンタクト34を介して接触する金属線27を通してポジティブ電荷及びネガティブ電荷が伝導されて共通ソース線CSに蓄積される。一方、セルがN型の場合には、ネガティブ電荷は基板側に通り抜ける反面、ポジティブ電荷は共通ソース線CSに蓄積される。蓄積されたポジティブ電荷は共通ソース線CSの端部(セクタのエッジ部分)に集中し、結果としてセルソース側のトンネル酸化膜及びフローティングゲートにポジティブ電荷が蓄積される。フローティングゲート内に蓄積されたポジティブ電荷はUV光によって中和(Neutralize)されるが、トンネル酸化膜内のポジティブ電荷は通り抜けるか中和されていない状態で存在し続けてセルの消去速度を加速させる。
【0011】
図4a及び図4bは従来のフラッシュメモリ素子の一セクタで高速消去セルの分布度及びこれによるビット線漏洩電流量の関係を説明するためのグラフである。
【0012】
図4aは一つのセクタ41内で高速消去ビットセルの分布を説明するための図である。図3で説明したように、ソース線に伝導されたポジティブ電荷はソース線の端部(セクタのエッジ部分)に集中するため、セクタ41の中心部42以外地域のセル(I/O−0、I/O−15)は高速で消去され、過消去されたセルが発生する。
【0013】
図4bは高速消去されたセルの分布が図4aのような時、I/O別ビット線漏洩電流量を示す。特に、図4bのグラフは5μsの間プログラムPGMした後、1ms、2ms、3msの間消去(era 1m、era 2m、era 3m)した後、100μsの間リカバリした場合の例である。図4bに示すように、セクタのエッジ部分である0ビット線(I/O−0)AとFビット線(I/O−15)Bでビット線漏洩電流量が非常に大きいことが分かる。
【0014】
このように、従来ではソース線の端部に電荷が集中して全体ソース線が不均衡にチャージアップされると、セクタエッジ部分のセルが過消去され、これによりビット線漏洩電流が増加して素子の信頼性が低下してしまうという問題点がある。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、電荷がセル内に集中することを防止することにより、セルの過消去を防止してメモリセルアレイのしきい値電圧分布を均一にすることができるフラッシュメモリ素子を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明に係るフラッシュメモリ素子は、半導体基板中、セルアレイ領域に形成されたフラッシュメモリセル、ソース及びドレイン領域と、前記半導体基板中、外部回路領域に形成され、互いに異なる導電型を持つ第1ウェル及び第2ウェルと、前記第1ウェルの内部に形成され、第2及び第3金属コンタクトを持つ1つの第1接合領域と、前記第2ウェルの内部に形成され、第4金属コンタクトを持つ第2接合領域と、前記ソース領域上に形成された第1金属コンタクトと、前記第1金属コンタクト及び第2金属コンタクトとを連結する第1金属線と、前記第3金属コンタクト及び第4金属コンタクトとを連結する第2金属線と、前記第2金属線上に形成されるバイアホールと、を含んでなることを特徴とする。
【0017】
本発明は、バイアホール又はパッドエッチング時に発生する電荷が金属線を介して接続領域に蓄積されることを防止するために、セルアレイ以外の外部回路領域に接合領域を形成し、バイアホールを介して外部回路に連結される金属線が外部回路領域に形成された接合領域を経由してセルと連結されるようにする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【0019】
図5は本発明の実施例に係るフラッシュメモリ素子の構造を説明するための図であり、NMOSトランジスタの場合を例として説明する。
【0020】
セルアレイ領域及び外部回路領域が定義された基板51のセルアレイ領域Aにはフローティングゲート52及びコントロールゲート53からなるNMOSトランジスタ、ソースS及びドレインD領域が形成されている。一方、外部回路領域BにはNウェル54及びPウェル55が形成され、Nウェル54内にはP+接合領域56が形成され、Pウェル55内にはN+接合領域57が形成されている。
【0021】
そして、セルソースS上に第1金属コンタクト58、P+接合領域56上に第2及び第3金属コンタクト59、61、N+接合領域57上に第4金属コンタクト62がそれぞれ形成される。セルソースSとP+接合領域56は第1金属コンタクト58と第2金属コンタクト59とを連結する第1金属線60によって連結され、P+接合領域56とN+接合領域57は第3金属コンタクト61と第4金属コンタクト62とを連結する第2金属線63によって連結される。結局、セルソースSはP+接合領域56を経由して第2金属線63と電気的に連結される。外部回路とセルを連結するためのバイアホール64は第2金属線63を露出させることにより形成される。
【0022】
バイアホール64のエッチング時に発生したポジティブ電荷及びネガティブ電荷は、セルの消去動作時にNMOSトランジスタのコントロールゲート53に印加される強いネガティブ電圧によってセル側に移動するが、第2金属線がP+接合領域56を経由してセルと連結されるので、ポジティブ電荷はセル側に移動する前に、P+接合領域56とNウェル54に集中することになる。これにより、NMOSトランジスタのトンネル酸化膜にネガティブ電荷が集中する現象を抑えることができる。この際、ネガティブ電荷はN+接合領域57及びPウェル55に集中する。このような構造で、外部回路領域BにはP+接合領域56のみ形成しても、セルにポジティブ電荷が集中する現象を十分抑えることができる。
【0023】
一方、PMOSトランジスタの場合にはセルソースを第1金属線を介して外部回路領域BのN+接合領域57に連結し、N+接合領域57は第2金属線を介して外部回路領域Bに形成されたP+接合領域56と連結し、バイアホール64は第2金属線を露出させて形成する。セル消去動作時、PMOSトランジスタのコントロールゲートに強いポジティブ電圧が印加されると、バイアホールのエッチング時に発生した電荷のうち、ネガティブ電荷はセル側に移動するが、この際、第2金属線がN+接合領域57を経由してセルと連結されるので、ネガティブ電荷はセル側に移動する前に、N+接合領域57とPウェル55に集中することになる。これにより、PMOSトランジスタのトンネル酸化膜にネガティブ電荷が集中する現象を抑えることができる。この際、ポジティブ電荷はP+接合領域56及びNウェル54に集中する。このような構造で、外部回路領域BにはN+接合領域57のみ形成しても、セルにネガティブ電荷が集中する現象を十分抑えることができる。
【0024】
【発明の効果】
上述したように、本発明は接合領域にチャージされた電荷がセルアレイに集中しないようにすることで、セルの過消去を防止することができ、これによりセルのしきい値電圧分布を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1a及び図1bはフラッシュメモリセルでF−Nトンネリング現象を説明するための図である。
【図2】 フラッシュメモリセルでチャージアップメカニズムを説明するための図である。
【図3】 図3a及び図3bは従来のフラッシュメモリセル及びセルアレイのレイアウト図である。
【図4】 図4a及び図4bは従来のフラッシュメモリ素子の一セクタで高速消去セルの分布度及びこれによるビット線漏洩電流量の関係を示すグラフである。
【図5】 本発明に係るフラッシュメモリ素子の構造を説明するための図である。
【符号の説明】
21 基板
22 Pウェル
23 接合領域
24 フローティングゲート
25 コントロールゲート
26 金属コンタクト
27 金属線
28 バイアホール
30 ポジティブ電荷
31 フィールド酸化膜
32 ゲート電極
33 金属線
34 金属コンタクト
35 バイアホール
51 基板
52 フローティングゲート
53 コントロールゲート
54 Nウェル
55 Pウェル
56 P+接合領域
57 N+接合領域
58 第1金属コンタクト
59 第2金属コンタクト
60 第1金属線
61 第3金属コンタクト
62 第4金属コンタクト
63 第2金属線
64 バイアホール
S ソース
D ドレイン
A セルアレイ領域
B 外部回路領域

Claims (3)

  1. 半導体基板中、セルアレイ領域に形成されたフラッシュメモリセル、ソース及びドレイン領域と、
    前記半導体基板中、外部回路領域に形成され、互いに異なる導電型を持つ第1ウェル及び第2ウェルと、
    前記第1ウェルの内部に形成され、第2及び第3金属コンタクトを持つ1つの第1接合領域と、
    前記第2ウェルの内部に形成され、第4金属コンタクトを持つ第2接合領域と、
    前記ソース領域上に形成された第1金属コンタクトと、
    前記第1金属コンタクト及び第2金属コンタクトとを連結する第1金属線と、
    前記第3金属コンタクト及び第4金属コンタクトとを連結する第2金属線と、
    前記第2金属線上に形成されるバイアホールと、を含んでなることを特徴とするフラッシュメモリ素子。
  2. 前記フラッシュメモリセルがN型の場合、前記第1接合領域はP+接合構造を有し、前記第2接合領域はN+接合構造を有することを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子。
  3. 前記フラッシュメモリセルがP型の場合、前記第1接合領域はN+接合構造を有し、前記第2接合領域はP+接合構造を有することを特徴とする請求項1記載のフラッシュメモリ素子。
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