JPH04336469A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はフローティングゲート
構造を有する不揮発性半導体記憶装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気的に書き込み・消去可能な不
揮発性半導体記憶装置の１つとして、部分フローティン
グゲート形の不揮発性半導体記憶装置がよく知られてい
る。特公平２−２８９０５に述べられている従来の部分
フローティングゲート形の不揮発性半導体記憶装置を図
３を参照しながら説明する。

【０００３】図３に示すように、従来の不揮発性半導体
記憶装置は、半導体基板１の表面に形成されたソース２
およびドレイン３の間において、ゲート絶縁膜４０と、
このゲート絶縁膜４０に連続形成された絶縁膜５０に埋
め込まれたフローティングゲート６０と、このフローテ
ィングゲート６０上に絶縁膜５０を介して形成されたコ
ントロールゲート７０とから構成されている。フローテ
ィングゲート６０は、ソース２またはドレイン３と半導
体基板１との接合部の一部分を覆っており、また、コン
トロールゲート７０の一部分は、フローティングゲート
６０を介さずに直接チャネル領域８０と対向している。

【０００４】このように構成された従来の不揮発性半導
体記憶装置は、書き込み時には、ソース２またはドレイ
ン３に高電圧を印加することにより、ソース２またはド
レイン３と半導体基板１との接合部のなだれ降伏により
発生した電子またはホールをフローティングゲート６０
に注入する。また、消去時には、例えば、紫外線などを
照射するか、またはホットキャリアをフローティングゲ
ート６０に注入する。また、コントロールゲート７０の
一部は、フローティングゲート６０を介さずに直接チャ
ネル領域８０と対向していることにより、この領域で発
生する電界９０により確実かつ融通性に富んでこの不揮
発性半導体記憶装置のオン・オフ動作を制御することを
可能としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成された従来の不揮発性半導体記憶装置では、電
気的にブロックやセクタごとに一括消去した場合に、書
き換え不要なデータも消去されてしまい、再び消去前と
同様のデータを書き込むことが必要となった。このよう
に、データの書き込み・消去を繰り返すと、薄いゲート
絶縁膜４０が次第に劣化し、これにより、フローティン
グゲート６０のデータ保持能力が低下するという問題が
あった。

【０００６】この発明の目的は、上記問題点に鑑み、繰
り返しデータの書き込み・消去を行ってもデータ保持能
力の低下を低減することのできる不揮発性半導体記憶装
置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の不揮発性
半導体記憶装置は、第１および第２の拡散層と第１のチ
ャネル領域と第２のチャネル領域と第１のフローティン
グゲートと第２のフローティングゲートとコントロール
ゲートとを備えたものである。第１および第２の拡散層
は、一導電型の半導体基板の表面領域に相互に間隔をあ
けて形成した半導体基板と反対導電型のものである。第
１のチャネル領域および第２のチャネル領域は、第１お
よび第２の拡散層間に存在し、第１のチャネル領域は第
１の拡散層に接したものであり、第２のチャネル領域は
第２の拡散層に接したものである。第１のフローティン
グゲートは、少なくとも第１の拡散層と第１のチャネル
領域との接合部の上部から第１のチャネル領域の上部ま
で跨がり、第１の絶縁膜を介して形成したものである。 第２のフローティングゲートは、少なくとも第２のチャ
ネル領域の上部から第２の拡散層の上部の一部分まで跨
がり、第１の絶縁膜より薄くトンネル媒体となりうる膜
厚の第２の絶縁膜を介して形成したものである。そして
、コントロールゲートは、第１および第２のフローティ
ングゲートの上部に少なくとも第３の絶縁膜を介して形
成したものである。

【０００８】請求項２記載の不揮発性半導体記憶装置は
、第１および第２の拡散層と第１のチャネル領域と第２
のチャネル領域と第１のフローティングゲートと第３の
フローティングゲートとコントロールゲートとを備えた
ものである。第１および第２の拡散層は、一導電型の半
導体基板の表面領域に相互に間隔をあけて形成した半導
体基板と反対導電型のものである。第１のチャネル領域
および第２のチャネル領域は、第１および第２の拡散層
間に存在し、第１のチャネル領域は第１の拡散層に接し
たものであり、第２のチャネル領域は第２の拡散層に接
したものである。第１のフローティングゲートは、少な
くとも第１の拡散層と第１のチャネル領域との接合部の
上部から第１のチャネル領域の上部まで跨がり、第１の
絶縁膜を介して形成したものである。第３のフローティ
ングゲートは、少なくとも第１のフローティングゲート
の上部から第２の拡散層の上部の一部分まで跨がり、ト
ンネル媒体となりうる膜厚の第４の絶縁膜を介して形成
したものである。そして、コントロールゲートは、第３
のフローティングゲートの上部に少なくとも第５の絶縁
膜を介して形成したものである。

【０００９】

【作用】この発明の構成によれば、第１のフローティン
グゲートは、第１の絶縁膜を介して、少なくとも第１の
拡散層と第１のチャネル領域との接合部の上部から第１
のチャネル領域の上部まで跨がって形成したものである
。そして、第２のフローティングゲートは、第１のフロ
ーティングゲートの下部の第１の絶縁膜より薄くトンネ
ル媒体となりうる膜厚の第２の絶縁膜を介して、少なく
とも第２のチャネル領域の上部から第２の拡散層の上部
の一部分まで跨がって形成したものである。また、第３
のフローティングゲートは、トンネル媒体となりうる膜
厚の第４の絶縁膜を介して、少なくとも第１のフローテ
ィングゲートの上部から第２の拡散層の上部の一部分ま
で跨がって形成したものであり、半導体基板上にトンネ
ル媒体となりうる膜厚の第４の絶縁膜を介して形成した
部分と半導体基板上に第１の絶縁膜，第１のフローティ
ングゲートおよび第４の絶縁膜を介して形成した部分と
からなる。

【００１０】これにより、第１のフローティングゲート
は電気的な書き込みのみ可能となり、また、第２および
第３のフローティングゲートは電気的な書き込み・消去
可能となる。したがって、書き込み・消去を繰り返すデ
ータを記憶するときは電気的な書き込み・消去可能な第
２または第３のフローティングゲートを用い、固定化し
消去しないデータを記憶するときは電気的な書き込みの
み可能な第１のフローティングゲートを用いることによ
り、電気的に繰り返し書き込み・消去を行っても第１の
フローティングゲートに保持したデータは消去されない
ため、再び第１のフローティングゲートにデータを書き
込むことが不要となる。これにより、第１のフローティ
ングゲートの下部の第１の絶縁膜の劣化を低減すること
ができ、固定化し消去しないデータを長時間にわたって
保持することができる。

【００１１】

【実施例】図１はこの発明の第１の実施例の不揮発性半
導体記憶装置の構成を示す断面図である。図１において
、１はｐ型シリコンからなる半導体基板、２は第１の拡
散層となるｎ型のソース、３は第２の拡散層となるｎ型
のドレイン、１０は第１の絶縁膜、１１はポリシリコン
からなる第１のフローティングゲート、１２は第２の絶
縁膜、１３はポリシリコンからなる第２のフローティン
グゲート、１４は第３の絶縁膜、１５はコントロールゲ
ート、１６は第１のチャネル領域、１７は第２のチャネ
ル領域である。

【００１２】図１に示すように、半導体基板１の表面領
域に形成したソース２およびドレイン３の間には、ソー
ス２に接した第１のチャネル領域１６およびドレイン３
に接した第２のチャネル領域が存在する。第１のフロー
ティングゲート１１は、第１の絶縁膜１０を介してソー
ス２と第１のチャネル領域１６との接合部の上部から第
１のチャネル領域１６の上部に跨がり、第１の絶縁膜１
０を介して形成したものである。第２のフローティング
ゲート１３は、ドレイン３の一部分の上部から第２のチ
ャネル領域１７の上部まで跨がり、トンネル媒体となり
うる膜厚の第２の絶縁膜１２を介して形成したものであ
る。また、コントロールゲート１５は、第１および第２
のフローティングゲートの上部に第３の絶縁膜１４を介
して形成したものである。

【００１３】また、第１の絶縁膜１０の膜厚は厚く３０
〔ｎｍ〕であり、これに対し第２の絶縁膜１２の膜厚は
トンネル媒体となりうるように薄いものであり、膜厚１
０〔ｎｍ〕のものである。以上のように構成した不揮発
性半導体記憶装置の動作を以下説明する。書き換えをし
ないデータ、すなわち１回だけ書き込み、その後は消去
しないデータを書き込む時には、ドレイン３と半導体基
板１を接地し、コントロールゲート１５およびソース２
に１２〔Ｖ〕〜１５〔Ｖ〕程度の高電圧を印加すること
により、チャネル電流を流してアバランシェホットエレ
クトロンを第１の絶縁膜１０を通して第１のフローティ
ングゲート１１に注入する。これにより、第１のフロー
ティングゲート１１に固定化し消去しないデータを書き
込む。なお、このとき第２のフローティングゲート１３
が書き込まれていないことが必要である。

【００１４】また、書き換えをするデータ、すなわち書
き込みと消去を繰り返すデータを書き込む時には、ソー
ス２および半導体基板１を接地し、コントロールゲート
１５およびドレイン３に１２〔Ｖ〕〜１５〔Ｖ〕程度の
高電圧を印加することにより、チャネル電流を流してア
バランシェホットエレクトロンを第２の絶縁膜１２を介
して第２のフローティングゲート１３に注入する。これ
により、第２のフローティングゲート１３に書き込み・
消去を繰り返すデータを書き込む。このように、第１の
フローティングゲート１１には１回だけしか書き込みを
行わないため、第１の絶縁膜１０の膜質劣化は少なく、
第１のフローティングゲート１１に書き込んだデータを
長時間保持することができる。なお、このとき第１のフ
ローティングゲート１１は書き込まれていないことが必
要である。

【００１５】また、消去時には、コントロールゲート１
５を接地しドレイン３に１５〔Ｖ〕程度の電圧を印加す
るか、または、ドレイン３を接地しコントロールゲート
１５に−２０〔Ｖ〕程度の電圧を印加することにより、
第２の絶縁膜１２中に高電界を発生させ、ファウラーノ
ルドハイム・トンネル電流により第２のフローティング
ゲート１３から電子を引き抜く。この際、第２の絶縁膜
１２中に高電界を得るためコントロールゲート１５に高
電圧を印加しても、第１の絶縁膜１０の膜厚は厚いため
、第１の絶縁膜１０中には十分な電界がかかることがな
く、ファウラーノルドハイム・トンネル電流は流れない
。したがって、第１のフローティングゲート１１を電気
的に消去することはできない。その結果、第１のフロー
ティングゲート１１に、固定化し消去しないデータを書
き込んでおくことにより、第２のフローティングゲート
１３をブロックごとやセクターごとに電気的に一括消去
しても、第１のフローティングゲート１１に書き込んだ
固定化し消去しないデータは消えずに残ることになる。

【００１６】また、読み出し時には、コントロールゲー
ト１５およびドレイン３に電圧を印加すると、第１のフ
ローティングゲート１１および第２のフローティングゲ
ート１３に電荷が注入されていないときは、チャネル領
域１６およびチャネル領域１７はともにオン状態となる
。これに対し、第１，第２のフローティングゲート１１
，１３の少なくとも一方に電子が注入されているときは
、電子が注入されているフローティングゲートの下のチ
ャネル領域がオフ状態になる。なお、消去時に第２のフ
ローティングゲート１３が過消去になり、下部のチャネ
ル領域１７がデプレッション形になっても、第１のフロ
ーティングゲート１１の下部のチャネル１６はエンハン
スメント形なので、過消去のため読み出し動作が不能に
なることはない。

【００１７】次に、この発明の第２の実施例について図
面を参照しながら説明する。図２はこの発明の第２の実
施例の不揮発性半導体記憶装置の構成を示す断面図であ
る。図２において、１８は第１の絶縁膜、１９は第４の
絶縁膜、２０は第３のフローティングゲート、２１は第
５の絶縁膜、２２はコントロールゲートであり、図１と
同符号の部分は同様の部分を示す。

【００１８】図２に示すように、第３のフローティング
ゲート２０は、第１のフローティングゲート１１の上部
からドレイン３の一部分の上部まで跨がり、トンネル媒
体となりうる膜厚の第４の絶縁膜１９を介して形成した
ものである。また、コントロールゲート２２は、第３の
フローティングゲート２０の上部に第５の絶縁膜２１を
介して形成したものである。

【００１９】すなわち、第１の実施例と異なるのは、第
２のフローティングゲート１３と同様の働きをする第３
のフローティングゲート２０の形成領域およびコントロ
ールゲート２２の形成領域である。また、第１の実施例
では第２の絶縁膜１２の膜厚は第１の絶縁膜１０の膜厚
よりも薄いものであったが、第２の実施例では特に第１
の絶縁膜１８が第４の絶縁膜１９よりも厚いものではな
い。

【００２０】このように構成した第２の実施例の不揮発
性半導体記憶装置は、書き込みと読み出し動作は第１の
実施例と同様であり、固定化し消去しないデータは第１
のフローティングゲート１１に書き込み、また、書き込
み・消去を繰り返すデータは第３のフローティングゲー
ト２０に書き込む。また、第３のフローティングゲート
２０の消去時は、たとえコントロールゲート２２に高電
圧を印加しても、第１のフローティングゲート１１上の
第４の絶縁膜１１および第３のフローティングゲート２
０上の第５の絶縁膜２１により、第１の絶縁膜１８中に
は十分な電界がかかることがなく、第１のフローティン
グゲート１１の保持するデータを電気的に消去すること
はない。したがって、第１の絶縁膜１８を第４の絶縁膜
１９より厚くする必要はない。

【００２１】以上、第１および第２の実施例によれば、
書き込み・消去を繰り返すデータの書き込みは、電気的
な書き込み消去可能な第２または第３のフローティング
ゲート１３，２０を用い、固定化し消去しないデータの
書き込みは、電気的な書き込みのみ可能な第１のフロー
ティングゲート１１を用いることにより、電気的に繰り
返し書き込み・消去を行っても第１のフローティングゲ
ート１１に保持したデータは消去されないため、再び第
１のフローティングゲート１１にデータを書き込むこと
が不要となる。これにより、第１の絶縁膜１０，１８の
膜質劣化を低減することができる。したがって、第１の
フローティングゲート１１に書き込まれたデータを長時
間保持することができる。また、高集積化には第２の実
施例の方が第１の実施例より適している。

【００２２】なお、第１および第２の実施例において、
第１のフローティングゲート１１，第２のフローティン
グゲート１３および第３のフローティングゲート２０に
対するデータの書き込み方法は、上述した方法に限らず
、例えば、半導体基板１と、ソース２またはドレイン３
とのｐｎ接合に逆バイアスを与え、なだれ降伏により発
生した電子またはホールを第１のフローティングゲート
１１，第２のフローティングゲート１３または第３のフ
ローティングゲート２０に注入してもよい。

【００２３】

【発明の効果】この発明の不揮発性半導体記憶装置によ
れば、第１のフローティングゲートは、第１の絶縁膜を
介して、少なくとも第１の拡散層と第１のチャネル領域
との接合部の上部から第１のチャネル領域の上部まで跨
がって形成したものであり、第２のフローティングゲー
トは、第１のフローティングゲートの下部の第１の絶縁
膜より薄くトンネル媒体となりうる第２の絶縁膜を介し
て、少なくとも第２のチャネル領域の上部から第２の拡
散層の上部の一部分まで跨がって形成したものであり、
また、第３のフローティングゲートは、トンネル媒体と
なりうる膜厚の第４の絶縁膜を介して、少なくとも第１
のフローティングゲートの上部から第２の拡散層の上部
の一部分まで跨がって形成したものである。これにより
、第１のフローティングゲートは電気的な書き込みのみ
可能となり、第２および第３のフローティングゲートは
電気的な書き込み・消去可能となる。すなわち、電気的
な書き込みのみ可能な第１のフローティングゲートと電
気的な書き込み・消去可能な第２または第３のフローテ
ィングゲートとを共存させたものである。したがって、
プログラミングをするときや書き換えを繰り返すデータ
を記憶するときは第２または第３のフローティングゲー
トを用い、固定化し消去しないデータを記憶するときは
第１のフローティングゲートを用いることにより、繰り
返しデータの書き込み・消去を行っても固定化し消去し
ないデータは長時間にわたって保持することができる。

【００２４】その結果、繰り返しデータの書き込み・消
去を行ってもデータ保持能力の低下を低減することので
きる優れた不揮発性半導体記憶装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の第１の実施例の不揮発性半導
体記憶装置の構成を示す断面図である。

【図２】図２はこの発明の第２の実施例の不揮発性半導
体記憶装置の構成を示す断面図である。

【図３】図３は従来の不揮発性半導体記憶装置の構成を
示す断面図である。

【符号の説明】

１　　　　半導体基板 ２　　　　ソース（第１の拡散層） ３　　　　ドレイン（第２の拡散層） １０，１８　　第１の絶縁膜 １１　　　　　　第１のフローティングゲート１２　　
　　　　第２の絶縁膜 １３　　　　　　第２のフローティングゲート１４　　
　　　　第３の絶縁膜 １５，２２　　コントロールゲート １６　　　　　　第１のチャネル領域 １７　　　　　　第２のチャネル領域 １９　　　　　　第４の絶縁膜 ２０　　　　　　第３のフローティングゲート２１　　
　　　　第５の絶縁膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一導電型の半導体基板の表面領域に相
   互に間隔をあけて形成した前記半導体基板と反対導電型
   の第１および第２の拡散層と、この第１および第２の拡
   散層間に存在し、前記第１の拡散層に接した第１のチャ
   ネル領域および前記第２の拡散層に接した第２のチャネ
   ル領域と、少なくとも前記第１の拡散層と前記第１のチ
   ャネル領域との接合部の上部から前記第１のチャネル領
   域の上部まで跨がり、第１の絶縁膜を介して形成した第
   １のフローティングゲートと、少なくとも前記第２のチ
   ャネル領域の上部から前記第２の拡散層の上部の一部分
   まで跨がり、前記第１の絶縁膜より薄くトンネル媒体と
   なりうる膜厚の第２の絶縁膜を介して形成した第２のフ
   ローティングゲートと、前記第１および第２のフローテ
   ィングゲートの上部に少なくとも第３の絶縁膜を介して
   形成したコントロールゲートとを備えた不揮発性半導体
   記憶装置。
2. 【請求項２】　　一導電型の半導体基板の表面領域に相
   互に間隔をあけて形成した前記半導体基板と反対導電型
   の第１および第２の拡散層と、この第１および第２の拡
   散層間に存在し、前記第１の拡散層に接した第１のチャ
   ネル領域および前記第２の拡散層に接した第２のチャネ
   ル領域と、少なくとも前記第１の拡散層と前記第１のチ
   ャネル領域との接合部の上部から前記第１のチャネル領
   域の上部まで跨がり、第１の絶縁膜を介して形成した第
   １のフローティングゲートと、少なくとも前記第１のフ
   ローティングゲートの上部から前記第２の拡散層の上部
   の一部分まで跨がり、トンネル媒体となりうる膜厚の第
   ４の絶縁膜を介して形成した第３のフローティングゲー
   トと、この第３のフローティングゲートの上部に少なく
   とも第５の絶縁膜を介して形成したコントロールゲート
   とを備えた不揮発性半導体記憶装置。