JP5588293B2

JP5588293B2 - 半導体不揮発性メモリ装置

Info

Publication number: JP5588293B2
Application number: JP2010222192A
Authority: JP
Inventors: 博昭鷹巣
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2012079839A

Description

本発明は、電子機器に用いられる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置に関する。

電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリセル（以下ＥＥＰＲＯＭセルと略す）は、Ｐ型シリコン基板上にチャネル領域を介してＮ型ソース領域とＮ型ドレイン領域が配置され、Ｎ型ドレイン領域上の一部にトンネル領域を設け、約１００Åあるいはそれ以下の薄いシリコン酸化膜あるはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜などからなるトンネル絶縁膜を介してフローティングゲート電極が形成され、フローティングゲート電極上には薄い絶縁膜からなるコントロールゲート絶縁膜を介してコントロールゲート電極が形成され、フローティングゲート電極はコントロールゲート電極と強く容量結合している。

フローティングゲート電極およびコントロールゲート電極は、チャネル領域上に延設されておりチャネル領域のコンダクタンスはフローティングゲート電極の電位によって変化する。

したがって、フローティングゲート電極中の電荷量を変えることにより情報を不揮発性で記憶することができる。トンネル領域を兼ねたドレイン領域にコントロールゲートに対して約１５ｖ以上の電位差を与えることにより、フローティングゲートの電子をトンネル領域のトンネル絶縁膜を介してドレイン領域に放出したり、逆にフローティングゲート電極に注入したりすることができる。

このようにして、フローティングゲートの電荷量を変化させて、不揮発性メモリとして機能させる。このようなＥＥＰＲＯＭセルをマトリクス状に多数配置して、メモリアレイを形成し、大容量の不揮発性メモリ半導体装置を得ることができる。

ここで、特に電子を通過させるトンネル絶縁膜を有するトンネル領域は重要で、数十万回に及ぶ多数回のメモリセル情報の書き換えを可能にすることや、メモリ情報の数十年にわたる長期保存（電荷の保持）の要求に対して支配的な役目を果たす。

トンネル領域およびトンネル絶縁膜の信頼性改善策として、ドレイン領域と隣接して不純物濃度の異なるトンネル領域を設けて書き換え特性や保持特性を向上させる例も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１６００５８号公報

しかしながら、改善例のようにドレイン領域と別に専用のトンネル領域を設ける半導体装置においては、占有面積が増大し半導体装置のコストアップに繋がるなどの問題点があった。また、書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル領域のエッジへの配慮はなされていなかった。

上記問題点を解決するために、本発明は半導体装置を以下のように構成した。
第１導電型の半導体表面領域の表面に、互いに間隔を置いて設けられた第２導電型のソース領域とドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域表面であるチャネル形成領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域の上にゲート絶縁膜を介して設けられたフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極とコントロールゲート絶縁膜を介して容量結合したコントロールゲート電極とからなる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリにおいて、前記ドレイン領域内のトンネル領域には、トンネル絶縁膜が設けられており、前記トンネル絶縁膜の上部であって、前記トンネル領域のエッジ部から離間した位置に、電荷受け渡し用電極が配置され、前記電荷受け渡し用電極と前記フローティングゲート電極とは、電気的に接続されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。

また、前記電荷受け渡し用電極と前記フローティングゲート電極とは、同一の材料により形成されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。
また、前記電荷受け渡し用電極と前記フローティングゲート電極とは、ポリシリコンにより形成されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。

前記電荷受け渡し用電極と前記トンネル領域のエッジ部との離間幅は、前記ゲート絶縁膜の膜厚以上である電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。
さらに、前記トンネル絶縁膜あるいは前記コントロールゲート絶縁膜の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜である電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。

電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置における書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル領域の欠陥の生じやすいエッジ部において、前記トンネル絶縁膜の上部であって、前記トンネル領域のエッジ部から離間した位置に電荷受け渡し用電極が配置されており、前記電荷受け渡し用電極と前記フローティングゲート電極とは電気的に接続されているため、データの書き換えや保持動作においてフローティングゲート電極とドレイン領域との間に高い電圧をかけた場合にも、トンネル領域のエッジ部から離間した電荷受け渡し用電極とドレイン領域との間には大きな電界が印加されずに済み、実質的なトンネル絶縁膜の厚さが増加したものと等価な構造になるため、最もストレスのかかるトンネル領域のエッジ部での電界集中を防止することができ、トンネル絶縁膜の信頼性を向上させ、より多くのデータ書き換え回数や、データ保持時間を達成することができる。

また、前記電荷受け渡し用電極と前記フローティングゲート電極とは、ポリシリコンなどの一般的な半導体装置の製造に広く用いられる同一の材料により形成されているため、製造工程が容易である。また前記電荷受け渡し用電極と前記トンネル領域のエッジ部との離間幅は、前記ゲート絶縁膜の膜厚以上としてあるため、ドレイン領域とフローティングゲート電極との間の最大印加電圧となる電圧を印加した場合にも破壊や劣化することなく良好な特性を保つことが出来る。

さらに、前記トンネル絶縁膜あるいは前記コントロールゲート絶縁膜の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性を向上させた。
これらの手段によって、電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置における書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル領域の欠陥の生じやすいエッジ部への電界集中を防止し、占有面積を増加することなくトンネル絶縁膜の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。

本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の模式的断面図である。本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の模式的平面図である。

本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の模式的断面図である。

第１導電型のＰ型の半導体基板１０１表面に、互いに間隔を置いて第２導電型のＮ型のソース領域２０１とドレイン領域２０２とが設けられ、ソース領域２０１とドレイン領域２０２との間のＰ型の半導体基板１０１表面であるチャネル形成領域と、ソース領域２０１とドレイン領域２０２とチャネル形成領域の上には、例えばシリコン酸化膜からなる厚さ４００Åのゲート絶縁膜３０１を介してポリシリコンなどからなるフローティングゲート電極５０１が設けられ、フローティングゲート電極５０１上には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなるコントロールゲート絶縁膜６０１を介して容量結合したポリシリコンなどからなるコントロールゲート電極７０１が形成されている。ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１上には、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなるトンネル絶縁膜４０１が設けられている。そして、トンネル絶縁膜の上にはトンネル絶縁膜のエッジ部４０２から離間領域９３１を介して、ポリシリコンなどからなる電荷受け渡し用電極５２１が配置されている。

次に、図２は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の模式的平面図である。図２に示すように、トンネル絶縁膜４０１の上部であって、トンネル領域８０１のエッジ部４０２から、離間領域９３１を介して、ポリシリコンなどからなる電荷受け渡し用電極５２１が配置されている。電荷受け渡し用電極５２１は周囲がすべてエッジ部４０１から離間しているので、トンネル絶縁膜４０１の上に島状に孤立して配置されることになる。電荷受け渡し用電極５２１とフローティングゲート電極５０１とは、アルミニウム、あるいは他の配線材料により形成された導電体９９１により電気的に接続されている。そして、電荷受け渡し用電極５２１とトンネル領域８０１のエッジ部との間隔であるトンネル領域エッジと電荷受け渡し用電極との離間領域９３１の幅は、ゲート絶縁膜３０１の厚さ以上になるように設定されている。なお、本図においては、コントロールゲート絶縁膜およびコントロールゲート電極は省略してあり、描かれていない。

本発明による実施例によれば、電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置における書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル領域８０１の欠陥の生じやすいエッジ部において、トンネル絶縁膜４０１の上部であって、トンネル領域８０１のエッジ部からトンネル領域エッジと電荷受け渡し用電極との離間領域９３１だけ離間した位置に電荷受け渡し用電極５２１が配置されており、電荷受け渡し用電極５２１とフローティングゲート電極５０１とは電気的に接続されているため、データの書き換えや保持動作においてフローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２との間に高い電圧をかけた場合にも、トンネル領域８０１のエッジ部から離間した電荷受け渡し用電極５２１とドレイン領域２０２との間には大きな電界が印加されずに済み、実質的なトンネル絶縁膜４０１の厚さが増加したものと等価な構造になるため、最もストレスのかかるトンネル領域８０１のエッジ部での電界集中を防止することができ、トンネル絶縁膜４０１の信頼性を向上させ、より多くのデータ書き換え回数や、データ保持時間を達成することができる。

また、電荷受け渡し用電極５２１とフローティングゲート電極５０１とは、ポリシリコンなどの一般的な半導体装置の製造に広く用いられる同一の材料により形成されているため、製造工程が容易である。また電荷受け渡し用電極５２１と前記トンネル領域８０１のエッジ部との離間幅は、ゲート絶縁膜３０１の膜厚以上としてあるため、ドレイン領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間の最大印加電圧となる電圧を印加した場合にもトンネル絶縁膜４０１が破壊したり劣化したりすることなく良好な特性を保つことが出来る。

さらに、トンネル絶縁膜４０１あるいはコントロールゲート絶縁膜５０１の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性をさらに向上させた。
これらの手段によって、電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置における書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル領域８０１の欠陥の生じやすいエッジ部への電界集中を防止し、占有面積を増加することなくトンネル絶縁膜４０１の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。

１０１Ｐ型のシリコン基板
２０１Ｎ型ソース領域
２０２Ｎ型ドレイン領域
３０１ゲート絶縁膜
４０１トンネル絶縁膜
４０２エッジ部
５０１フローティングゲート電極
５２１電荷受け渡し用電極
６０１コントロールゲート絶縁膜
７０１コントロールゲート電極
８０１トンネル領域
９３１トンネル領域エッジと電荷受け渡し用電極との離間領域
９９１導電体

Claims

第１導電型の半導体基板の表面に、互いに間隔を置いて設けられた第２導電型のソース領域とドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の表面近傍であるチャネル形成領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域の上にゲート絶縁膜を介して設けられたフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極とコントロールゲート絶縁膜を介して容量結合したコントロールゲート電極とからなる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリにおいて、
前記ドレイン領域内のトンネル領域には、トンネル絶縁膜が設けられており、前記トンネル絶縁膜の上部であって、前記トンネル絶縁膜のすべてのエッジ部から離間した位置に、電荷受け渡し用電極が配置され、前記電荷受け渡し用電極と前記フローティングゲート電極とは、電気的に接続されている電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
前記電荷受け渡し用電極と前記トンネル領域のエッジ部との離間幅は、前記ゲート絶縁膜の膜厚以上である請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。