JP5623495B2 - 消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は不揮発性メモリに関し、より具体的には消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの製造方法に関するものである。
図1は、従来のプログラマブルデュアルポリ不揮発性メモリを図示する模式断面図である。プログラマブルデュアルポリ不揮発性メモリは、浮遊ゲートトランジスタとも呼ばれる。図1に図示するように、この不揮発性メモリは積層され分離された2つのゲートを備える。上側ゲートは制御ゲート12であり、制御ラインCに接続されている。下側ゲートは浮遊ゲート14である。加えて、n型ドープソース領域およびn型ドープドレイン領域がP基板に構成されている。n型ドープソース領域はソースラインSに接続されている。n型ドープドレイン領域はドレインラインDに接続されている。
不揮発性メモリがプログラムされた状態にある場合、高電圧(例、+16V)がドレインラインDから供給され、接地電圧がソースラインSから供給され、制御電圧(例、+25V)が制御ラインCから供給される。その結果、電子がソースラインSからnチャネル領域を通過してドレインラインDに送られる間に、ホットキャリア(例、ホットエレクトロン)が制御電圧によって制御ゲート12に引き寄せられて、浮遊ゲート14に注入される。この状況において、多数のキャリアが浮遊ゲート14に蓄積される。その結果、プログラムされた状態は第1蓄積状態(例、「0」)と考えてもよい。
不揮発性メモリがプログラムされていない状態にある場合、キャリアは浮遊ゲート14に注入されないため、プログラムされていない状態は第2蓄積状態(例、「1」)と考えてもよい。
すなわち、第1蓄積状態のドレイン電流(id)およびゲート・ソース電圧(Vgs)の特性曲線(つまり、id−Vgs特性曲線)と、第2蓄積状態のid−Vgs特性曲線とは区別される。その結果、浮遊ゲートトランジスタの蓄積状態は、id−Vgs特性曲線の変動によって実現してもよい。
しかし、プログラマブルデュアルポリ不揮発性メモリの浮遊ゲート14および制御ゲート12は別々に製造するべきであるため、プログラマブルデュアルポリ不揮発性メモリの製造プロセスにはより多くのステップが必要で、標準的なCMOS製造プロセスとの互換性はない。
下記特許文献1は、プログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを開示している。図2Aは、特許文献1で開示されている従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを図示する模式断面図である。図2Bは、図2Aの従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを図示する模式上面図である。図2Cは、図2Aの従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを図示する模式回路図である。
図2A〜図2Cを参照されたい。従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリは、2つの直列接続されているp型金属酸化物半導体(PMOS)トランジスタを備える。第1PMOSトランジスタは選択トランジスタとして使用され、第1PMOSトランジスタの選択ゲート24は選択ゲート電圧VSGに接続されている。p型ドープソース領域21はソースライン電圧VSLに接続されている。さらに、p型ドープドレイン領域22は、第1PMOSトランジスタのp型ドープドレイン領域と第2PMOSトランジスタの第1p型ドープ領域との組み合わせと考えてもよい。浮遊ゲート26が第2PMOSトランジスタの上に配設されている。第2PMOSトランジスタの第2p型ドープ領域23はビットライン電圧VBLに接続されている。さらに、これらのPMOSトランジスタはNウェル領域(NW)に構成されている。Nウェル領域はNウェル電圧VNWに接続されている。第2PMOSトランジスタは浮遊ゲートトランジスタとして使用される。
選択ゲート電圧VSG、ソースライン電圧VSL、ビットライン電圧VBL、およびNウェル電圧VNWを適切に制御することにより、従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリはプログラムされた状態または読み出された状態で動作させることができる。
従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの2つのPMOSトランジスタはそれぞれのゲート24および26を有するため、従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するプロセスは、標準的なCMOS製造プロセスと互換性がある。
図1および図2に図示するように、不揮発性メモリはプログラム可能である。不揮発性メモリの電気特性は多数のホットキャリアを浮遊ゲートに注入するためにのみ利用される。しかし、該電気特性は浮遊ゲートからキャリアを除去するためには利用されない。すなわち、データ消去機能を得るために、浮遊ゲートに蓄積されているキャリアは、紫外線(UV)光を不揮発性メモリに露光することによって浮遊ゲートから除去される。これら不揮発性メモリはワンタイム・プログラミング(OTP)メモリと呼ばれる。
米国特許第6678190号明細書
そのため、複数回プログラミング(MTP)メモリ設計のためには、消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを提供する必要がある。
本発明は、先行技術において直面する欠点をなくすために、消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの製造方法を提供する。
本発明は、ソースライン電圧につながれた第1のドープ領域、第2のドープ領域、および選択ゲート電圧につながれた選択ゲートを含む選択トランジスタを製造するステップと、前記第2のドープ領域と、ビットライン電圧につながれた第3のドープ領域とを含む浮遊ゲートトランジスタのゲート酸化膜を形成するステップと、前記浮遊ゲートトランジスタのチャネル領域の上に、プログラムされた状態中に複数のキャリアがゲート酸化膜の第1部分のみに注入され得、かつトンネリングされ得る前記ゲート酸化膜の第1部分を画定するステップと、消去状態中に前記キャリアがゲート酸化膜の第2部分のみに放出され得、かつトンネリングされ得る前記ゲート酸化膜の第2部分を画定するステップと、前記ゲート酸化膜にポリシリコンゲートを被覆するステップと、前記ゲート酸化膜の第2部分が延びて隣接している消去ゲート領域を製造するステップと、を含み、前記ゲート酸化膜の前記第1部分の厚さが、前記ゲート酸化膜の前記第2部分の厚さよりも厚い、消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの製造方法を提供する。
本発明は、第1型の基板に第1エリアおよび第2エリアを画定するステップと、前記第1エリアに第2型のウェル領域を形成するステップと、前記第1エリアの表面に被覆される第1ゲート酸化膜および第2ゲート酸化膜を形成するステップであって、前記第2ゲート酸化膜は前記第2エリアまで延びて隣接している、前記形成するステップと、前記第1エリアの上の前記第2ゲート酸化膜の第1部分の厚さが、前記第2エリアの上の前記第2ゲート酸化膜の第2部分の厚さよりも厚くなるように、前記第2ゲート酸化膜を処理するステップと、前記第1ゲート酸化膜および前記第2ゲート酸化膜を被覆する2つのポリシリコンゲートを形成するステップと、前記第2エリアに第2型のドープ領域を画定するとともに、前記第2型のウェル領域に第1型のドープ領域を画定するステップとを含み、前記第2エリアに第2型のドープ領域の画定が完了するときに消去ゲート領域が製造される、消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの製造方法を提供する。
本発明の多数の目的、特徴および利点は、添付の図面と合わせて考慮して、本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより容易に明らかになるであろう。しかし、本明細書で採用する図面は説明のためのものであり、制限と見なしてはならない。
本発明の上述の目的および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を精査した後に、当業者にはより容易に明らかになるであろう。
従来のプログラマブルデュアルポリ不揮発性メモリを図示する模式断面図である。 特許文献1に開示されている従来のプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを図示する模式断面図である。 図2Aの模式上面図である。 図2Aの模式回路図である。 本発明の実施形態による消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを模式的に図示する上面図である。 本発明の実施形態による消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを模式的に図示する図3Aの断面図である。 本発明の実施形態による消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを模式的に図示する図3Aの断面図である。 図3Aの消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを模式的に図示する回路図である。 本発明の消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するための標準的なCMOSプロセスを図示するフローチャートである。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す図である。 ゲート酸化膜の厚さと消去ライン電圧(VEL)との関係を図示するプロット図である。
図3A〜図3Dは、本発明の実施形態による消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを模式的に図示する。図3Aは、本発明の実施形態による消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを図示する模式上面図である。図3Bは、図3Aの消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを、第1方向(a1−a2)に沿って切断して図示する模式断面図である。図3Cは、図3Aの消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを、第2方向(b1−b2)に沿って切断して図示する模式断面図である。図3Dは、本発明の実施形態による消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの模式等価回路図である。
図3Aおよび図3Bに図示するように、実施形態の消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリは、2つの直列接続されているp型金属酸化物半導体(PMOS)トランジスタを備える。これら2つのPMOSトランジスタはNウェル領域(NW)に構成されている。Nウェル領域(NW)には3つのp型ドープ領域31,32および33が形成されている。加えて、3つのp型ドープ領域31,32および33の間のエリアには2つのポリシリコンゲート34および36が架け渡されており、2つのポリシリコンゲート34および36と基板の上面との間にはゲート酸化膜342および362が形成されている。
第1PMOSトランジスタは選択トランジスタとして使用され、第1PMOSトランジスタのポリシリコンゲート34(選択ゲートとも呼ばれる)は選択ゲート電圧VSGに接続されている。p型ドープ領域31はp型ドープソース領域であり、ソースライン電圧VSLに接続されている。p型ドープ領域32はp型ドープドレイン領域であり、第1PMOSトランジスタのp型ドープドレイン領域と第2PMOSトランジスタの第1p型ドープ領域との組み合わせと考えてもよい。
ポリシリコンゲート36(浮遊ゲートとも呼ばれる)は、第2PMOSトランジスタの上に配設されている。p型ドープ領域33は第2PMOSトランジスタの第2p型ドープ領域であり、ビットライン電圧VBLに接続されている。さらに、Nウェル領域(NW)はNウェル電圧VNWに接続されている。第2PMOSトランジスタは浮遊ゲートトランジスタとして使用される。
図3Aおよび図3Cに図示するように、実施形態の消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリは、n型金属酸化物半導体(NMOS)トランジスタ、または浮遊ゲート36、ゲート酸化膜362および消去ゲート領域35の組み合わせを備える。
NMOSトランジスタはPウェル領域(PW)に構成されている。n型ドープ領域38とPウェル領域(PW)との間には、二重拡散ドレイン(DDD)領域37が形成されている。すなわち、消去ゲート領域35は、Pウェル領域(PW)と、二重拡散ドレイン(DDD)領域37と、n型ドープ領域38とを含む。
図3Aに図示するように、浮遊ゲート36は消去ゲート領域35まで延びて隣接している。さらに、n型ドープ領域38とDDD領域37との組み合わせは、NMOSトランジスタのn型ドープソース領域とn型ドープドレイン領域との組み合わせと考えてもよく、浮遊ゲート36はNMOSトランジスタのゲートと考えてもよい。n型ドープ領域38は消去ライン電圧VELに接続されている。加えて、Pウェル領域(PW)はPウェル電圧VPWに接続されている。
図3Cに図示するように、ゲート酸化膜362が浮遊ゲート36の下に形成されて、ゲート酸化膜362は2つの部分362aおよび362bを含む。ゲート酸化膜362の第1部分362aは浮遊ゲートトランジスタ(第2PMOSトランジスタ)に形成されて、ゲート酸化膜362の第2部分362bはNMOSトランジスタ(または消去ゲート領域35の上)に形成されている。
本発明の実施形態によると、ゲート酸化膜362の第1部分362aの厚さは、ゲート酸化膜362の第2部分362bの厚さよりも厚い。また、Pウェル領域(PW)とNウェル領域(NW)との間には、シャロー・トレンチアイソレーション(STI)構造39が形成されている。
図4は、本発明の消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するための標準的なCMOSプロセスを図示している。これらのプロセスは、STI形成(S402)と、Nウェル形成(S404)と、IOゲート酸化膜形成(S406)と、N−DDD注入(S408)と、Pウェル形成(S410)と、IOゲートエッチバックプロセス(S412)と、ポリゲート形成(S414)と、ドープ領域画定(S416)とを含む。
図5A〜図5Hは、標準的なCMOSプロセスによる消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリを製造するステップを示す。本発明の主な特徴は消去ゲート領域であるため、上面図および(b1−b2)方向に沿って切断した断面図のみを示す。
図5Aの上面図によると、STI形成プロセスの後に、p基板に2つの別々のエリア(AおよびB)が画定されている。図5Aの断面図に示すように、STI構造39がp基板に埋め込まれている。本発明によると、2つの直列接続されているPMOSトランジスタはエリアAに形成され、消去ゲート領域はエリアBに形成されることになる。
Nウェル形成プロセスでは、エリアAのみが露出されて、Nウェル注入プロセスが実施される。図5Bの上面図および断面図に示すように、p基板にNウェル領域(NW)が形成される。
IOゲート酸化膜形成プロセスでは、図5Cに示すように2つの直列接続されているPMOSトランジスタの基板の表面に、2つのゲート酸化膜342および362が形成される。さらに、ゲート酸化膜362はエリアBまで延びて隣接している。
図5Dに図示するように、N−DDD注入ステップでは、マスク層、例えばフォトレジスト(PR)マスク層またはSiNハードマスク層が形成され、エリアBのみが露出されて、他のエリアはマスク層によって保護される。こうして、N−DDD注入プロセスが行われる。図5Dの断面図によると、N−DDD注入ステップの後に、p基板にDDD領域37が形成されている。
N−DDD注入プロセスの後、N−DDD注入ステップで使用された同じマスク層をPウェル形成プロセスでも使用する。図5Eの断面図に示すように、Pウェル領域(PW)はDDD領域37の下に形成されている。p基板はPウェル領域(PW)と同じ型であるため、Pウェル形成プロセスは任意で行うことができるであろう。
Pウェル形成プロセスの後、同じマスク層をさらにIOゲートエッチバックプロセスでも使用する。図5Fの断面図に示すように、マスク層によって保護されているゲート酸化膜362の第1部分362aはエッチングされず、マスク層によって保護されていないゲート酸化膜362の第2部分362bがエッチングされるので、第1部分362aよりも薄い厚さになる。本発明によると、ゲート酸化膜362を正確にエッチングするために、基板上のパターンをモニタリングすることによる短経路フィードバックシステムを使用する。
マスク層368を除去した後、ポリゲート形成プロセスに進む。図5Gに図示するように、ポリゲート形成プロセスの後に、2つのゲート酸化膜362および342を2つのポリシリコンゲート34および36が被覆している。
ドープ領域画定プロセスでは、n型ドープ領域の形成およびp型ドープ領域の形成は別々に行われる。図5Hに図示するように、DDD領域37にn型ドープ領域38が形成されて、消去ゲート領域が形成される。また、NW領域に3つのp型ドープ領域31,32および33が形成されて、2つの直列接続されているPMOSトランジスタが形成される。そのため、本発明の消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリが製造される。
図6は、ゲート酸化膜の厚さと消去ライン電圧(VEL)との関係を図示するプロット図である。標準的なCMOS製造プロセスでは、5VのIOデバイスのゲート酸化膜362の厚さは約13nmであり、浮遊ゲート36から蓄積キャリアを除去するための消去ライン電圧(VEL)は約15〜16Vである。しかし、これより高い消去ライン電圧(VEL)は消去ゲート領域35の接合破壊および高いERS電力を引き起こすことがある。本発明の実施形態によると、ゲート酸化膜362の一部(第2部分362b)をさらにエッチングして、第1部分362aよりも薄い厚さ(約7nm)にする。この場合、消去ライン電圧(VEL)は約10V〜11Vになる。
プログラムされた状態では、ホットキャリア(例、エレクトロン)は浮遊ゲート36に対応する浮遊ゲートトランジスタのチャネル領域を通過して送られ、ゲート酸化膜362の第1部分362aがホットエレクトロンによりトンネリングされて、さらにホットエレクトロンは浮遊ゲート36に注入される。消去された状態では、ゲート酸化膜362の第2部分362bは浮遊ゲート36の蓄積キャリアによりトンネリングされて、さらに蓄積キャリアはn型ドープ領域38およびDDD領域37を通過して不揮発性メモリから排出される。すなわち、ホットエレクトロンが浮遊ゲート36に注入されるための第1部分362aの厚さは、蓄積キャリアがゲート酸化膜36から放出されるための第2部分362bの厚さよりも厚い。
上記の説明から、本発明の消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリは、消去ライン電圧(VEL)を低下させることができる。すなわち、より低い消去ライン電圧VELを供給することによって、本発明の不揮発性メモリの蓄積状態が変化する。
現在もっとも実用的で好適な実施形態と考えられるものの観点から本発明を説明してきたが、本発明が、開示される実施形態に制限される必要はないことは理解されるべきである。その反対に、添付の請求項の精神および範囲に含まれる様々な変更および同様な構成をカバーすることが意図されており、添付の請求項は、当該すべての変更および同様な構造を包含するようにもっとも広い解釈に従うべきである。

Claims (9)

  1. ソースライン電圧につながれた第1のドープ領域、第2のドープ領域、および選択ゲート電圧につながれた選択ゲートを含む選択トランジスタを製造するステップと、
    前記第2のドープ領域と、ビットライン電圧につながれた第3のドープ領域とを含む浮遊ゲートトランジスタのゲート酸化膜を形成するステップと、
    前記浮遊ゲートトランジスタのチャネル領域の上に、プログラムされた状態中に複数のキャリアがゲート酸化膜の第1部分のみに注入され得、かつトンネリングされ得る前記ゲート酸化膜の第1部分を画定するステップと、
    消去状態中に前記キャリアがゲート酸化膜の第2部分のみに放出され得、かつトンネリングされ得る前記ゲート酸化膜の第2部分を画定するステップと、
    前記ゲート酸化膜にポリシリコンゲートを被覆するステップと
    前記ゲート酸化膜の第2部分が延びて隣接している消去ゲート領域を製造するステップと、を含み、
    前記ゲート酸化膜の前記第1部分の厚さが、前記ゲート酸化膜の前記第2部分の厚さよりも厚い、消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの製造方法。
  2. 前記ゲート酸化膜の前記第2部分はエッチングされている、請求項1に記載の方法。
  3. 第1型の基板に第1エリアおよび第2エリアを画定するステップと、
    前記第1エリアに第2型のウェル領域を形成するステップと、
    前記第1エリアの表面に被覆される第1ゲート酸化膜および第2ゲート酸化膜を形成するステップであって、前記第2ゲート酸化膜は前記第2エリアまで延びて隣接している、前記形成するステップと、
    前記第1エリアの上の前記第2ゲート酸化膜の第1部分の厚さが、前記第2エリアの上の前記第2ゲート酸化膜の第2部分の厚さよりも厚くなるように、前記第2ゲート酸化膜を処理するステップと、
    前記第1ゲート酸化膜および前記第2ゲート酸化膜を被覆する2つのポリシリコンゲートを形成するステップと、
    前記第2エリアに第2型のドープ領域を画定するとともに、前記第2型のウェル領域に第1型のドープ領域を画定するステップとを含み、
    前記第2エリアに第2型のドープ領域の画定が完了するときに消去ゲート領域が製造される、消去可能なプログラマブル単一ポリ不揮発性メモリの製造方法。
  4. 前記第2ゲート酸化膜処理ステップの前に、前記第2エリアに二重拡散ドレイン領域を形成するステップをさらに含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記第2ゲート酸化膜を処理するステップは、前記第2ゲート酸化膜の前記第2部分をエッチングすることであ請求項3に記載の方法。
  6. 前記第2エリアに第1型のウェル領域を形成するステップをさらに含み、前記第1型のウェル領域は前記二重拡散ドレイン領域の下に形成される、請求項3に記載の方法。
  7. 前記第1型はp型であり、前記第2型はn型である、請求項3に記載の方法。
  8. 前記第1型のドープ領域の画定が完了するときに、直列に接続されている選択トランジスタおよび浮遊ゲートトランジスタが製造される、請求項3に記載の方法。
  9. 前記第1エリアおよび前記第2エリアを画定するために、前記第1型の基板に複数のシャロー・トレンチアイソレーション構造が形成されて、埋め込まれる、請求項3に記載の方法。
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