JP5578641B2 - 不揮発性半導体記憶素子とその製造方法 - Google Patents
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Description
この不揮発性半導体素子は、一方の浮遊ゲートの蓄積電荷が失われても、他方の浮遊ゲートの蓄積電荷により、記憶データを保持できる。
チャネル領域を介して配置されたソース領域とドレイン領域と、
少なくとも前記チャネル領域を覆って形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向し、互いに絶縁されており、前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けてチャネル長方向に直列に並んで形成された複数の浮遊ゲート電極と、
前記複数の浮遊ゲート電極上に形成され、前記第1のゲート絶縁膜と共に前記複数の浮遊ゲート電極を相互に絶縁すると共に他から絶縁する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向して配置されたゲート電極と、
を備え、
前記複数の浮遊ゲート電極は、それぞれ、前記チャネル領域の幅と電気的に等しいかより広く、チャネル幅全体に渡って形成されている。
また、少なくとも3つの前記浮遊ゲート電極が、前記チャネル長方向に並んで形成されているようにしてもよい。
ソース領域、チャネル領域、及びドレイン領域の上に、第1のゲート絶縁膜を形成するソース領域、チャネル領域、及びドレイン領域の上に、第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜上に、導体層又は半導体層を形成する工程と、
前記導体層又は半導体層をパターニングすることにより、同一層レベルに配置され、それぞれチャネル領域に対向し且つ前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けて配置され、チャネル長方向に直列に並び、それぞれ、前記チャネル領域の幅と電気的に等しいかより広く、チャネル幅全体に渡って形成された複数の浮遊ゲート電極を形成する工程と、
前記複数の浮遊ゲート電極をそれぞれを覆う第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜上に前記チャネル領域に対向するゲート電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする。
ここで、図1(a)は不揮発性半導体記憶素子10の断面図、図1(b)は不揮発性半導体記憶素子10の主要部の平面配置図である。
図示するように、本実施形態の不揮発性半導体記憶素子10は、1ビット分のデータを記憶する不揮発性の半導体記憶素子であり、半導体基体11と、ソース領域12と、ドレイン領域13と、チャネル領域14と、第1のゲート絶縁膜15と、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17と、第2のゲート絶縁膜18と、コントロールゲート19と、保護絶縁膜20とを備える。
ドレイン領域13は、半導体基体11の表面領域に、ソース領域12に対向して形成されたN型の領域である。
さらに、コントロールゲート19に印加された書込用高電圧VWにより、チャネル領域14を流れる電子の一部(トンネル電流)が、トンネル効果により、第1のゲート絶縁膜15を介して第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に注入され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17は共に電子が注入された状態になる。
第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電子が注入された状態と、注入されていない状態とで、コントロールゲート19の印加電圧Vgを0(接地)とした場合と、正極性の所定の電圧Vとした場合の、チャネル方向のポテンシャル分布を図5(a)〜(d)に示す。なお、ソース領域12とドレイン領域13とに共に接地電圧を印加している。
まず、半導体基体11にイオン打込などにより、ソース領域12とドレイン領域13とを形成する。
次に、熱酸化等により、図6(a)に示すように、2〜5nm程度の均一な膜厚のシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成する。この膜が第1のゲート絶縁膜15となる。
続いて、絶縁膜を形成して、保護膜とする。
図示するように、不揮発性半導体記憶素子10はm行×n列のマトリクス状に配置されている。
ワードラインWL(WL1〜WLm)が同一行の不揮発性半導体記憶素子10のコントロールゲートに接続されている。
ビットラインBL(BL1〜BLn)が同一列の不揮発性半導体記憶素子10のドレインに接続されている。
各電圧設定ラインSL(SL1〜SLm)は、電圧設定回路SV1〜SVmに接続される。
各ビットラインBL(BL1〜BLn)は、トランスファゲートTG(TG1〜TGn)を介して、対応するセンスアンプSA1〜SAnに接続される。
さらに、各ビットラインBL(BL1〜BLn)は、書き込みゲートWG(WG1〜WGn)を介して書き込み回路WCに接続される。
まず、通常状態では、ライトイネーブル信号WEはローレベルにあり、書き込みゲートWG1〜WGnは全てオフしている。書き込み回路WCもオフしている。電圧設定回路SV1〜SVmは、全ての電圧設定ラインSL1〜SLmをローレベル(グランドレベル)に設定する。これにより、不揮発性半導体記憶素子10のソース領域12はグランドレベルとなる。
書き込み対象の行のワードラインWLが書き込み電圧VWに設定され、対応する行の不揮発性半導体記憶素子10のコントロールゲート19に書き込み用のゲート電圧Vg=VWを印加する。
ライトイネーブル信号WEをハイレベルとし、全ての書き込みトランスファゲートTGをオンする。”0”を書き込む不揮発性半導体記憶素子10に接続されたビットラインBLに接続されているトランスファゲートTGを選択的にオンする。書き込み回路WCは出力電圧を正極性の電圧Vとする。
書き込み対象の行の電圧設定回路SVの出力をグランドレベルとし、他はオープン状態とする。書き込み対象行の不揮発性半導体記憶素子10のソース領域12がグランドレベルに設定され、他はオープン状態に設定される。これにより、”0”を書き込む対象の不揮発性半導体記憶素子10には、図2に示す電圧が設定され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17に電子が注入される。
消去対象の不揮発性半導体記憶素子10の行のワードラインWLが負(マイナス)電圧に設定され、対応する行の不揮発性半導体記憶素子10のコントロールゲート19に消去用のゲート電圧Vg<0を印加する。
ライトイネーブル信号WEをハイレベルとし、全ての書き込みトランスファゲートTGをオンする。消去対象(”1”を書き込む)の不揮発性半導体記憶素子10に接続されたビットラインBLに接続されているトランスファゲートTGを選択的にオンする(全てのトランスファゲートTGをオンしてもよい)。書き込み回路WCと電圧設定回路は出力電圧をレベルV+とする。
消去対象の行の電圧設定回路SVの出力電圧をV+とし、他をグランドレベルとする。
これにより、”1”を書き込む対象の不揮発性半導体記憶素子10には、図3に示す電圧が設定され、第1と第2の浮遊ゲート電極16と17から電子が引き抜かれる。
データを読み出す場合、読み出し対象の不揮発性半導体記憶素子10に接続されているワードラインWLに選択電圧Vg=VRを印加し、他のワードラインには非選択電圧Vg=0を印加する。
また、読み出し対象の不揮発性半導体記憶素子10の行に設けられている電圧設定回路SVは、対応する電圧設定ラインSLにグランド電圧を印加し、対応する行の不揮発性半導体記憶素子10のソース領域12をグランドに落とす。他の電圧設定回路SVは、例えば、電圧設定ラインSLをオープン状態とする。
また、読み出し対象の不揮発性半導体記憶素子10に接続されたビットラインBLに接続されたトランスファゲートTGにハイレベルの読み出し信号Yを供給し、対応するトランスファゲートTGをオンする。
センスアンプSA1〜SAnは、ビットラインBL1〜BLnを所定電圧に設定する。各センスアンプSA1〜SAnは、ビットラインBL1〜BLnを流れる電流、すなわち、対応する不揮発性半導体記憶素子10を流れるチャネル電流を測定し、記憶データを判別する。
また、不揮発性半導体記憶素子10を大規模に集積化して不揮発性半導体記憶装置とすることも可能である。
11 半導体基体
12 ソース領域
13 ドレイン領域
14 チャネル領域
15 第1のゲート絶縁膜
16 第1の浮遊ゲート電極
17 第2の浮遊ゲート電極
18 第2のゲート絶縁膜
19 コントロールゲート
20 保護絶縁膜
32 絶縁体
100 不揮発性半導体記憶装置
101 半導体膜或いは導体膜
102 導体膜
Claims (5)
- チャネル領域を介して配置されたソース領域とドレイン領域と、
少なくとも前記チャネル領域を覆って形成された第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向し、互いに絶縁されており、前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けてチャネル長方向に直列に並んで形成された複数の浮遊ゲート電極と、
前記複数の浮遊ゲート電極上に形成され、前記第1のゲート絶縁膜と共に前記複数の浮遊ゲート電極を相互に絶縁すると共に他から絶縁する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に、前記チャネル領域に対向して配置されたゲート電極と、
を備え、
前記複数の浮遊ゲート電極は、それぞれ、前記チャネル領域の幅と電気的に等しいかより広く、チャネル幅全体に渡って形成されている、
不揮発性半導体記憶素子。 - 前記複数の浮遊ゲート電極は、前記チャネル上で、同一レベルに配置されており、
前記第1のゲート絶縁膜の表面は、平坦に形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶素子。 - 前記チャネル領域から前記複数の浮遊ゲート電極への電子の注入および注入した電子の引き抜きを行い、前記複数の浮遊ゲート電極の電子の蓄積状態を揃える記憶制御手段を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶素子。
- 少なくとも3つの前記浮遊ゲート電極が、前記チャネル長方向に並んで形成されている、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶素子。 - ソース領域、チャネル領域、及びドレイン領域の上に、第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜上に、導体層又は半導体層を形成する工程と、
前記導体層又は半導体層をパターニングすることにより、同一層レベルに配置され、それぞれチャネル領域に対向し且つ前記ソース領域及び前記ドレイン領域上を避けて配置され、チャネル長方向に直列に並び、それぞれ、前記チャネル領域の幅と電気的に等しいかより広く、チャネル幅全体に渡って形成された複数の浮遊ゲート電極を形成する工程と、
前記複数の浮遊ゲート電極をそれぞれを覆う第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜上に前記チャネル領域に対向するゲート電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶素子の製造方法。
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