JPH02295169A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置

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JPH02295169A
JPH02295169A JP1116307A JP11630789A JPH02295169A JP H02295169 A JPH02295169 A JP H02295169A JP 1116307 A JP1116307 A JP 1116307A JP 11630789 A JP11630789 A JP 11630789A JP H02295169 A JPH02295169 A JP H02295169A
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JP
Japan
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gate electrode
region
drain region
floating gate
drain
Prior art date
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Application number
JP1116307A
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English (en)
Inventor
Susumu Hasunuma
蓮沼 晋
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Publication of JPH02295169A publication Critical patent/JPH02295169A/ja
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は不揮発性半導体記憶装置に関し、特に電気的に
書込み・消去が可能な浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶
装置に関する。
〔従来の技術〕
従来電気的に書込み・消去が可能な不揮発性半導体記憶
装置としては、その書込み・消去動作にファウラー・ノ
ルドハイム( Fowler−Nordheim)’{
!jトンネル電流を用いる方式が一般的であった。しか
しながらこの方式ではその動作特性上書込み後のメモリ
・Lランジスタがデプレション状態になるため選択的な
読出しを可能にするためには各ビット毎に選択トランジ
スタを設ける必要があった.従って、1ビットのメモリ
・セルは選択トランジスタとメモリ・トランジスタとか
ら構成され、このためにセル面積が大きくなり大容量化
の妨げになっていた。
これに対する一つの対応策として最近フラッシュEEP
ROMが提案されている。これは従来のEEPROMの
ようなバイト単位の書換えは行なえず一括消去型ではあ
るものの紫外線消去型EPROMのような大容量セルと
「電気的消去」を結び付ける手法として最近注目を集め
ている。
第4図はフラッシュEEPROMの一例を示す半導体チ
ップの断面図である。
この例はP型の半導体基板1の表面にn+型のドレイン
領域7と01型のソース領域8とを設け、ソース領域−
ドレイン領域間の半導体基板1上の一部に第1ゲート絶
縁膜2を介して浮遊ゲート電極3を設け、さらにこの浮
遊ゲート電41i3上に第2ゲート絶縁膜4を介して制
御ゲート電極6が形成され、このときソース領域−ドレ
イン領域の間の半導体基板1上の浮遊ゲート電極3がな
い領域においては半導体基板1上に第3ゲート絶縁膜5
を介して制御ゲート電@6が形成されている。浮遊ゲー
ト電[!3と制御ゲート電極6とはドレイン側において
自己整合的に形成されており、ソース側においては制御
ゲート電極6が浮遊ゲート電極3の外部にまで延在して
いる.このメモリ・トランジスタの動作原理を簡単に説
明する.書込み動作は通常の紫外線消去型EPROMと
同様にドレイン領域,制御ゲート電極に高電圧を印加し
、チャンネル内のピンチ・オフ領域で発生したホット・
エレクトロンを浮遊ゲート電極に注入するいわゆるホッ
ト・エレクトロン注入で行なう.消去動作は制御ゲート
電極を接地した状態でドレイン領域に高電圧を印加しフ
ァウラー・ノルドハイム型トンネル電流を用いて浮遊ゲ
ート電極内の電子の放出を行なう。このとき、ドレイン
領域側でアバランシェ・プレークダウンが生じれば高エ
ネルギーのエレクトロンーホール対が発生しホット・ホ
ール注入によって消去が行なわれる。いずれにしても消
去動作後の浮遊ゲート電極には正電荷が蓄積されており
、従来の紫外線消去型EPROMのように制御ゲート電
極と浮遊ゲート電極とがチャンネル長方向で自己整合的
に形成されていると消去後のメモリ・トランジスタがデ
ブレション状態になってしまうためju択的な読出しが
できなくなる。前述のようにソース側において制御ゲー
トが浮遊ゲートの外部にまで延在しているのは、この部
分に選択トランジスタを形成し選択的な読出しを可能に
するなめである。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述した従来の不揮発性半導体記憶装置では、消去動作
にトンネル電流を用いるために浮遊ゲート電極下のゲー
ト絶縁膜を約10nm程度にまで薄膜化する必要があり
、このような構造ではドレイン側のアバランシェ・ブレ
ークダウン電圧が低く実際にはホット・ホール注入によ
って消去動作が行なわれるという問題があった。
MOSトランジスタのドレイン接合部ではその近傍にゲ
ート電極が存在するためpn接合部表面の電界強度は強
くドレイン領域側のアバランシェ・ブレーク・ダウン電
圧は一般に通常のpn接合のそれよりも低くまたゲート
電圧によっても変化する。上述したメモリセルではゲー
ト絶縁膜が薄い上に、書込まれたメモリトランジスタの
浮遊ゲート電極には電子が蓄積されているため実効的に
負のゲート電圧が印加されていることと等しく、ドレイ
ンのアバランシエ・ブレーク・ダウン電圧はトンネル電
流を発生するのに必要なドレイン電圧と同等もしくはそ
れよりも低くなってしまつ。
アバランシエ・ブレーク・ダウンにーよるホッl−・ホ
ール注入が生じ、ゲート絶縁腹中にホールがトラップさ
れると絶縁膜の漏れ電流が増加してメモリ・トランジス
タのデータ保持特性に悪影響を与えたり、ゲート絶縁膜
の劣化を速めて書込み・消去の繰返し特性を悪化させる
という欠点がある9 〔課題を解決するための手段〕 本発明は、第1導電型の半導体基板表面に形成された第
2導電型のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース
領域−ドレイン領域間の前記半導体基板」二の一部に第
1ゲート絶縁膜を介して設けられた浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に第2ゲート絶縁膜を介して形成
されかつ前記ソース領域−ドレイン領域間の前記浮遊ゲ
ート電極のない領域の半導体基板上に第3ゲート絶縁膜
を介して形成された制御ゲート電極とからなり、前記浮
遊ゲート電極と前記制御ゲート電極とはドレイン領域側
において自己整合的に配置されてなる不揮発性半導体記
憶装置において、前記浮遊ゲート電極と第1ゲート絶縁
膜を介して対向する半導体基板表面の少なくとも一部に
前記ドレイン領域と接続されかつ前記ドレイン領域より
も不純物濃度の低い第2導電型不純物領域を有するとい
うものである。
〔実施例〕
次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
第1図(a)は本発明の不揮発性半導体記憶装置の第1
の実施例を示すパターンレイアウト図、第1図(b)は
第1図<a)のY−Y’線相当部で切断した半導体チッ
プの断面図である。
1は例えばP型の半導体基板、2は第1ゲーl〜絶縁膜
、3は例えばポリシリコン膜からなる浮遊ゲート電極、
4は第2ゲート絶縁膜、5は第3ゲート絶縁膜、6は例
えばポリシリコン膜からなる制御ゲート電極、7は例え
ばヒ素をドーブしたn+型のドレイン領域、8は同じく
n+型のソース領域、9aは同じくn型でドレイン領域
7よりも不純物濃度の低いn型不純物領域である。
本発明の半導体記憶装置は次のような工程を経て実現さ
れる。まず例えばP型の半導体基板1の表面に通常のL
OCOS法等により活性領域を形成し第1ゲート絶縁膜
2を熱酸化により形成した後にメモリ・トランジスタの
チャネル・ドーブのためボロンのイオン注入を行なう。
次に、ドレイン領域から将来浮遊ゲート電極が形成され
る領域にかかるように例えば100keV、I X 1
 0 ”cm−”程度のリンのイオン注入を行ないn型
不純物領j・・(9を形成する。さらにCVD法により
ボリシリコン層を形成し浮遊ゲート電極3をパターニン
グする。次に例えば1000℃、02雰囲気で30nm
程度の熱酸化膜を形成し、浮遊ゲート電極3上に第2ゲ
ート絶縁膜4を形成し、同時に半導体基板上に第3ゲー
ト絶縁膜5を形成し、これらゲート絶縁膜の上にポリシ
リコン層を形成しパターニングして制御ゲート電極6と
する。このとき、ドレイン側では浮遊ゲート電極の端部
を削るようにエッチングして自己整合的配置を実現する
ようにする。さらにこの制御ゲート電極6をマスクにし
て例えばヒ素のイオン注入を行ないドレイン領域7,ソ
ース領域8を形成する。
このようにして形成されたメモリ・トランジスタの消去
モードのI−V特性を第2図に示す。これは制御ゲート
電極を接地した状態でドレイン領域に電圧を印加したと
きのI−■特性である。従来のセルでは、書込み後は浮
遊ゲート電極に負の電荷が蓄積されているためにアバラ
ンシェ・ブレーク・ダウン電圧が低下しトンネリングに
よる消去よりもホット・ホール注入による消去が行なわ
れてしようことがあった。本発明ではドレイン側のジャ
ンクション構造を改善したためブレーク・ダウン電圧を
十分に高くすることができ、純粋にトンイ・リングによ
る消去が可能になる。
第3図は本発明の第2の実施例の断面図である。
第1の実施例では浮遊ゲート電極形成前にイオン注入法
により低濃度のn型不純物領域を浅く形成していたが、
この実施例ではドレイン領域を包むように深く低濃度の
n型不純物領域9bを形成している。この実施例ではま
ず例えばP型の半導体基板1の表面に通常のL O C
 O S法により活性領域を形成し、第1ゲート絶縁膜
2を熱酸化により形成した後にメモリ・トランジスタの
チャンネル・ドーブのためボロンのイオン注入を行なう
次にポリシリコン層のバターニングを行ない浮遊ゲート
電[3を形成する。次に例えば1000”c,o2雰囲
気で30nm程度の熱酸化膜を形成し浮遊ゲート電極1
二に第2ゲート絶縁膜4を形成し、同時に半導体基板上
に第3ゲート絶縁B!J.5を形成し、これらゲート絶
縁膜の上にポリシリコン層を形成しパターニングを行な
い制御ゲート電極6とする。さらに例えばフォトレジス
トをマスクにしてメモリ・トランジスタのドレイン側に
リンを例えば100keVで1.O X 1 0 13
cm−2程度イオン注入し、その後例えば1000℃の
N2雰囲気で30分程度の熱処理を行ない深い低濃度の
n型不純物領域9bを形成する。続いて制御ゲート電極
6をマスクにして例えばヒ素を50keVで1.0×1
016cm”−2程度イオン注入し、ドレイン領域7,
ソース領域8を形成する。
本実施例では第1の実施例に比べて次のような利点があ
る。すなわち、第1の実施例では低濃度のn型不純物領
域を形成するイオン注入が浮遊ゲート電極及び制御ゲー
ト電極の形成より前工程であるためにリソグラフィの目
合せ精度がパターン精度を決定するのに対し、本実施例
では制御ゲート電極形成後にn型不純物領域を形成する
イオン注入を行ない然る後に熱拡散で横方向(及び深さ
方向)に拡散しているため自己整合的にバターニングを
行なうことができる利点がある。
さらに第1の実施例ではn型不純物領域を基板表面付近
に浅くイオン注入することで形成しているのに対し、本
実施例ではイオン注入及び熱拡散で深く形成し、n型不
純物領域が高濃度のドレイン領域を囲み込んでいるなめ
ドレインの接合耐圧を高めることができる利点もある。
なお、第1図,第3図,第4図において、ソース用のコ
ンタクト孔、ソース電極配線、ドレイン電極配線は便宜
上図示していない。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明の不揮発性半導体記憶装置は
、浮遊ゲート電極の下部の半導体基板内の少なくとも一
部にドレイン領域と同一導電型で、電気的にドレイン領
域と接続され、かつこれよりも不純物濃度の低い不純物
領域を設けることによってドレイン側のアバランシエ・
ブレーク・ダウン電圧を高め、これによって電気的消去
時にアバランシェ・ブレーク・ダウンによるホット・ホ
ール注入を伴なうことなくファウラー・ノルドハイム型
トンネル電流によってのみ消去することが可能になり、
ホット・ホール注入によって生じるメモリ・トランジス
タの保持特性,書込み・消去繰返し特性の劣化を防ぐこ
とができるという効果がある。
純物領域、10・・・コンタクト孔、11・・・絶縁膜

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  第1導電型の半導体基板表面に形成された第2導電型
    のソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域−ド
    レイン領域間の前記半導体基板上の一部に第1ゲート絶
    縁膜を介して設けられた浮遊ゲート電極と、前記浮遊ゲ
    ート電極上に第2ゲート絶縁膜を介して形成されかつ前
    記ソース領域−ドレイン領域間の前記浮遊ゲート電極の
    ない領域の半導体基板上に第3ゲート絶縁膜を介して形
    成された制御ゲート電極とからなり、前記浮遊ゲート電
    極と前記制御ゲート電極とはドレイン領域側において自
    己整合的に配置されてなる不揮発性半導体記憶装置にお
    いて、前記浮遊ゲート電極と第1ゲート絶縁膜を介して
    対向する半導体基板表面の少なくとも一部に前記ドレイ
    ン領域と接続されかつ前記ドレイン領域よりも不純物濃
    度の低い第2導電型不純物領域を有することを特徴とす
    る不揮発性半導体記憶装置。
JP1116307A 1989-05-09 1989-05-09 不揮発性半導体記憶装置 Pending JPH02295169A (ja)

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