JPH0831959A - 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法

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JPH0831959A
JPH0831959A JP6180697A JP18069794A JPH0831959A JP H0831959 A JPH0831959 A JP H0831959A JP 6180697 A JP6180697 A JP 6180697A JP 18069794 A JP18069794 A JP 18069794A JP H0831959 A JPH0831959 A JP H0831959A
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film
floating gate
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    • H01L29/40Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/423Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/30Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates characterised by the memory core region
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B69/00Erasable-and-programmable ROM [EPROM] devices not provided for in groups H10B41/00 - H10B63/00, e.g. ultraviolet erasable-and-programmable ROM [UVEPROM] devices

Abstract

(57)【要約】 【目的】 メモリセルの面積を大きくすることなしに制
御ゲート電極と浮遊ゲート電極とがオーバーラップする
領域の面積を大きくする。 【構成】 素子分離膜21上における浮遊ゲート電極2
3との間に隙間領域15を設け、層間絶縁膜16を介し
て隙間領域15を埋め込むようにして制御ゲート電極2
2を浮遊ゲート電極23上に積層させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的にデータの書き
込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置及びその
製造方法に関し、浮遊ゲート型メモリセルを有する不揮
発性半導体記憶装置に用いて好適なものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、電気的にデータの書き込み及
び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置として、EEP
ROM(Electrically Erasable Programable Read Only
Memory) やフラッシュメモリなどが知られている。
【0003】特に、フラッシュメモリは、メモリセルが
1個の浮遊ゲート型トランジスタから構成できるので、
製造工程を簡略化できビット当たりの単価を低くできる
とともに高集積、大容量化が可能となり、ハードディス
クやフロッピーディスクなどの磁気記録媒体などの置き
換えを中心として広く用いられている。
【0004】フラッシュメモリのデータの書き換えの方
式としては、NOR型フラッシュメモリで主に使用され
ているように、書き込みをホットエレクトロン注入で行
うとともに消去をファウラーノードハイムトンネリング
(以下、「FNトンネリング」と称す。)で行う方式と
NAND型フラッシュメモリで主に使用されているよう
に、書き込み及び消去の両方をファウラーノードハイム
トンネリング(以下、「FNトンネリング」と称す。)
で行う方式などがある。
【0005】また、フラッシュメモリのデータの消去方
式として、浮遊ゲートの蓄積電子をソース電極に引き抜
くようにしたソース消去法、ソース電極に正電圧を印加
するとともに制御ゲート電極に負電圧を印加して浮遊ゲ
ートの蓄積電子をソース電極に引き抜くようにしたソー
ス・ゲート消去法、浮遊ゲートの蓄積電子をメモリセル
のチャネル領域を介して基板側に引き抜くようにした基
板消去法などがある。
【0006】以下に、従来の不揮発性半導体記憶装置に
ついて図2及び図9を参照しながら説明する。
【0007】図2は従来のメモリセルのパターンを示す
平面図、図9(a)は図2のA−A線で切断した断面
図、図9(b)は図2のB−B線で切断した断面図であ
る。
【0008】図9(a)に示す図2のA−A線方向にお
いて、P型シリコン基板11上には、素子分離膜21と
してLOCOS法によって例えば3000〜6000Å
程度の膜厚のシリコン酸化膜が形成されており、素子分
離膜21の間に形成される素子領域を互いに電気的に分
離している。
【0009】素子分離膜21によって素子分離されたチ
ャネル領域には、トンネル酸化膜14として50〜13
0Å程度の膜厚のシリコン酸化膜が熱酸化によって形成
され、トンネル酸化膜14の上部には、浮遊ゲート電極
23として導電性の多結晶シリコン膜が素子分離膜21
に跨がるように形成されている。
【0010】浮遊ゲート電極23の上部及び側部には、
層間絶縁膜16として例えばシリコン酸化膜/シリコン
窒化膜/シリコン酸化膜からなる酸化膜厚換算で300
Å程度の膜厚のONO絶縁膜が形成され、層間絶縁膜1
6の上部には、制御ゲート電極22として導電性の多結
晶シリコン膜が形成されている。
【0011】制御ゲート電極22の上部には層間絶縁膜
19を介して金属配線層25が形成されている。
【0012】また、図9(b)に示す図2のB−B線方
向では、浮遊ゲート電極23の両側に一部の領域がオー
バーラップするようにN型のドレイン拡散層12及びソ
ース拡散層13が形成されており、ドレイン拡散層12
は2つの浮遊ゲート電極23で共有されている。ドレイ
ン拡散層12及びソース拡散層13には、不純物として
砒素が1×1018〜1×1021cm-3程度の表面濃度で導
入されている。
【0013】また、ドレイン拡散層12は、コンタクト
ホール24を介して金属配線層25に接続されており、
ソース拡散層13も不図示の金属配線層に接続されてい
る。
【0014】次に、図9の不揮発性半導体記憶装置の動
作について説明する。
【0015】書き込み時においては、例えば選択された
メモリセルのドレイン拡散層12に6V、ソース拡散層
13に0V、制御ゲート電極22に12Vの電圧を与え
ることにより、メモリセルトランジスタのチャネル領域
に電流を流す。その結果、ドレイン拡散層12の近傍の
チャネル領域に生成されたピンチオフ領域において電界
により加速された電子が、熱的な平衡状態より過剰にエ
ネルギーを持った状態(ホットエレクトロン)となり、
トンネル酸化膜14のエネルギー障壁を越えて浮遊ゲー
ト電極23に注入される。
【0016】注入された電子は、電気的に浮遊状態にあ
る浮遊ゲート電極23中に保持されるので、メモリセル
トランジスタのしきい値電圧は、例えば初期状態の2V
程度から7V程度に上昇し書き込みが行われる。
【0017】また、消去時においては、例えばドレイン
拡散層12を浮遊状態とし、ソース拡散層13に12
V、制御ゲート電極22に0Vの電圧を与えることによ
り、浮遊ゲート電極23中の電子は、FNトンネリング
によりトンネル酸化膜14を介してソース拡散層13に
引き抜かれるので、メモリセル26のしきい値電圧は、
例えば7V程度から2V程度に下降する。
【0018】また、読み出し時においては、例えば選択
されたメモリセルの例えばドレイン拡散層12に1V、
ソース拡散層13に0V、制御ゲート電極22に5Vの
電圧を与えることにより、メモリセル26に電流が流れ
るかどうかを検出する。
【0019】次に、従来の不揮発性半導体記憶装置の他
の例について図10を参照しながら説明する。
【0020】図10は、従来の埋め込みビットライン方
式におけるメモリセルの構造を示す断面図である。この
埋め込みビットライン方式は、ドレイン拡散層43及び
ソース拡散層42がそれぞれビット線及びソース線を兼
用しているので、ビット線及びソース線のコンタクトホ
ールを各メモリセル毎に配置する必要がなく、高集積化
が可能となる。
【0021】図10において、P型シリコン基板41上
には、素子分離膜45としてLOCOS法によって例え
ば2000Å程度の膜厚のシリコン酸化膜が形成される
とともに4000Å程度の膜厚の拡散層分離用酸化膜4
4によって分離されたドレイン拡散層43及びソース拡
散層42が素子分離膜45の下方に形成されている。
【0022】また、ドレイン拡散層43及びソース拡散
層42は、浮遊ゲート電極47の一部の領域にオーバー
ラップするように形成されており、ドレイン拡散層43
及びソース拡散層42には、不純物として砒素が1×1
18〜1×1021cm-3程度の表面濃度で導入されてい
る。
【0023】素子分離膜45によって素子分離されたチ
ャネル領域には、トンネル酸化膜46として50〜13
0Å程度の膜厚のシリコン酸化膜が熱酸化によって形成
され、トンネル酸化膜46の上部には、浮遊ゲート電極
47として導電性の多結晶シリコン膜が素子分離膜45
に跨がるように形成されている。
【0024】浮遊ゲート電極47の上部及び側部には、
層間絶縁膜48として例えばシリコン酸化膜/シリコン
窒化膜/シリコン酸化膜からなる酸化膜厚換算で300
Å程度の膜厚のONO絶縁膜が形成され、層間絶縁膜4
8の上部には、制御ゲート電極49として導電性の多結
晶シリコン膜が形成されている。
【0025】制御ゲート電極49の上部には層間絶縁膜
50を介して金属配線層51が形成されている。
【0026】ところで、携帯用機器などを主体とするフ
ラッシュメモリの適用分野を考えた場合、電源電圧を低
電圧化し、書き換え動作を高速化することが重要であ
る。このため、単体のメモリセルの動作を考えた場合、
トンネル酸化膜14に実際に印加される電圧が、ホット
エレクトロン注入やFNトンネリングの効率に影響を及
ぼすため、電源電圧の低電圧化などを行う場合に重要と
なってくる。
【0027】例えば、上述した電圧印加条件で書き込み
動作を行う場合、実際にトンネル酸化膜14に印加され
る電圧は12Vではなくもっと低い値をとる。
【0028】すなわち、図9のメモリセルの等価回路は
図4に示すような構成となり、書き込み動作時に実際に
トンネル酸化膜14に印加される電圧VPROGは、以下の
式で示される。
【0029】 VPROG=KPROG×VCG …(1) KPROG=CFC/(CFC+CFCH +CFD+CFS) …(2) ここで、KPROG:書き込み動作時の容量結合比 VCG :制御ゲート電極22に印加される電圧 CFC :制御ゲート電極22と浮遊ゲート電極23間の
容量 CFCH :浮遊ゲート電極23とチャネル領域間の容量 CFD :浮遊ゲート電極23とドレイン拡散層12間の
容量 CFS :浮遊ゲート電極23とソース拡散層13間の容
量 である。
【0030】また、消去動作時に実際にトンネル酸化膜
14に印加される電圧VERASE は、以下の式で示され
る。
【0031】 VERASE =KERASE ×VCG …(3) KERASE FC/(CFC+CFS) …(4) ここで、KERASE :消去動作時の容量結合比 VCG :制御ゲート電極22に印加される電圧 である。
【0032】書き込み動作及び消去動作のいずれにおい
ても、ホットエレクトロン注入やFNトンネリングの効
率を向上させるためには、それぞれの容量結合比
PROG、KERASE を大きくするようにメモリセルの構造
を最適化することが必要である。
【0033】このため、(2)式及び(4)式から明ら
かなように、制御ゲート電極22と浮遊ゲート電極23
間の容量CFCの値を大きくし、浮遊ゲート電極23とチ
ャネル領域間の容量CFCH 、浮遊ゲート電極23とドレ
イン拡散層12間の容量CFD、浮遊ゲート電極23とソ
ース拡散層13間の容量CFSの値を小さくする必要があ
る。
【0034】従って、図9のメモリセルにおいては、制
御ゲート電極22と浮遊ゲート電極23とが層間絶縁膜
16を介してオーバーラップする領域を大きくするとと
もに層間絶縁膜16の膜厚を薄くし、トンネル酸化膜1
4に浮遊ゲート電極23がオーバーラップする領域を小
さくするとともにトンネル酸化膜14の膜厚を厚くする
必要がある。
【0035】制御ゲート電極22と浮遊ゲート電極23
とが層間絶縁膜16を介してオーバーラップする領域に
は、素子分離膜21上で制御ゲート電極22と浮遊ゲー
ト電極23とがオーバーラップする領域及び浮遊ゲート
電極23の側面でオーバーラップする領域も含まれてい
る。
【0036】従って、制御ゲート電極22に供給する電
圧を低電圧化し、書き換え速度を速くするためには、容
量結合比KPROG、KERASE を大きくすることが必要とな
り、制御ゲート電極22と浮遊ゲート電極23とがオー
バーラップする領域の面積を大きくすることが効果的で
ある。
【0037】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、制御ゲ
ート電極22と浮遊ゲート電極23とがオーバーラップ
する領域の面積を大きくするためには、素子分離膜21
の面積を大きくすることが必要となり、メモリセルの大
きさが大きくなるという欠点があった。
【0038】そこで、本発明の目的は、メモリセルの面
積を大きくすることなしに制御ゲート電極と浮遊ゲート
電極とがオーバーラップする領域の面積を大きくするこ
とが可能な不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を
提供することである。
【0039】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の不揮発性半導体記憶装置では、第1導
電型半導体基板に所定の間隔を介して形成された第2導
電型のソース/ドレイン拡散層と、前記ソース/ドレイ
ン拡散層の間に形成されたチャネル領域にトンネル酸化
膜を介して一部の領域が接している浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に形成されるとともに少なくとも
一部の領域が前記浮遊ゲート電極の下面に絶縁膜を介し
て接する制御ゲート電極とを備えている。
【0040】また、本発明の不揮発性半導体記憶装置の
一態様では、前記浮遊ゲート電極の下面に接する領域
は、前記半導体基板上の素子分離領域に形成されてい
る。
【0041】また、本発明の不揮発性半導体記憶装置の
製造方法では、半導体基板上に素子分離絶縁膜を選択的
に形成する工程と、第1の多結晶シリコン膜を全面に形
成する工程と、前記第1の多結晶シリコン膜を選択的に
エッチングすることにより前記素子分離絶縁膜を部分的
に露出させる工程と、前記第1の多結晶シリコン膜をマ
スクとして前記素子分離絶縁膜を部分的にエッチングす
ることにより前記素子分離絶縁膜に空洞部を形成する工
程と、層間絶縁膜を全面に形成する工程と、第2の多結
晶シリコン膜を全面に形成する工程と、前記第1の多結
晶シリコン膜、前記層間絶縁膜、前記第2の多結晶シリ
コン膜を選択的にエッチングする工程とを備えている。
【0042】
【作用】本発明の不揮発性半導体記憶装置によれば、制
御ゲート電極が絶縁膜を介して浮遊ゲート電極の下面に
も存在するようにしたので、メモリセルの面積を大きく
することなしに制御ゲート電極と浮遊ゲート電極とがオ
ーバーラップする面積を大きくすることができる。
【0043】また、本発明の不揮発性半導体記憶装置の
製造方法によれば、浮遊ゲート電極となる前記第1の多
結晶シリコン膜をマスクとして素子分離絶縁膜に空洞部
を形成し、前記空洞部が埋め込まれるように層間絶縁膜
を介して制御ゲート電極となる第2の多結晶シリコン膜
を形成するようにしたので、工程数をほとんど増大させ
ることなく、制御ゲート電極と浮遊ゲート電極とがオー
バーラップする面積を大きくすることができる。
【0044】
【実施例】以下、本発明の第1実施例による不揮発性半
導体記憶装置を図1及び図2を参照しながら説明する。
【0045】図1(a)は図2のA−A線で切断した断
面図、図1(b)は図2のB−B線で切断した断面図で
あり、図2は本発明の第1実施例によるメモリセルのパ
ターンを示す平面図である。なお、図9の不揮発性半導
体記憶装置と同一の構成部分には同一の符号を付した。
【0046】図1(a)に示す図2のA−A線方向にお
いて、P型シリコン基板11上には、素子分離膜21と
してLOCOS法によって例えば3000〜6000Å
程度の膜厚のシリコン酸化膜が形成されており、素子分
離膜21の間に形成される素子領域を互いに電気的に分
離している。
【0047】素子分離膜21によって素子分離されたチ
ャネル領域には、トンネル酸化膜14として50〜13
0Å程度の膜厚のシリコン酸化膜が熱酸化によって形成
され、トンネル酸化膜14の上部には、浮遊ゲート電極
23として導電性の多結晶シリコン膜が素子分離膜21
上に跨がるように形成され、素子分離膜21との間に部
分的に隙間領域15を有している。
【0048】浮遊ゲート電極23の上部、側部及び隙間
領域15の表面上には、層間絶縁膜16として例えばシ
リコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からな
る酸化膜厚換算で300Å程度の膜厚のONO絶縁膜が
形成され、層間絶縁膜16の外周部には、制御ゲート電
極22として導電性の多結晶シリコン膜が隙間領域15
を埋め込むように形成されている。
【0049】制御ゲート電極22の上部には層間絶縁膜
19を介して金属配線層25が形成されている。
【0050】また、図1(b)に示す図2のB−B線方
向では、浮遊ゲート電極23の両側に一部の領域がオー
バーラップするようにN型のドレイン拡散層12及びソ
ース拡散層13が形成されており、ドレイン拡散層12
は2つの浮遊ゲート電極23で共有されている。ドレイ
ン拡散層12及びソース拡散層13には、不純物として
砒素が1×1018〜1×1021cm-3程度の表面濃度で導
入されている。
【0051】また、ドレイン拡散層12は、コンタクト
ホール24を介して金属配線層25に接続されており、
ソース拡散層13も不図示の金属配線層に接続されてい
る。
【0052】次に、本発明の第1実施例による不揮発性
半導体記憶装置の動作を図3を参照しながら説明する。
【0053】図3は、本発明の第1実施例による不揮発
性半導体記憶装置を等価的に示す回路図である。
【0054】書き込み時において、例えばメモリセルト
ランジスタT5を選択する場合、図示しないデコーダに
より例えばビット線D1に6V、ビット線D0、D2に
0V、ソース線S0に0V、ワード線W1に10V、ワ
ード線W0、W2、W3に0Vを印加することにより、
メモリセルトランジスタT5のドレイン拡散層12に6
V、ソース拡散層13に0V、制御ゲート電極22に1
0Vの電圧を与える。
【0055】このため、メモリセルトランジスタT5の
チャネル領域に電流が流れ、ドレイン拡散層12の近傍
のチャネル領域に生成されたピンチオフ領域において電
界により加速された電子が、ホットエレクトロンとな
り、トンネル酸化膜14のエネルギー障壁を越えて浮遊
ゲート電極23に注入される。
【0056】注入された電子は、電気的に浮遊状態にあ
る浮遊ゲート電極23中に保持されるので、メモリセル
トランジスタT5のしきい値電圧は、例えば初期状態の
2V程度から7V程度に上昇し書き込みが行われる。
【0057】また、消去時において、図示しないデコー
ダにより例えばビット線D0〜D2を開放にし、ソース
線S0に12V、ワード線W1〜W3に0Vを印加する
ことにより、ドレイン拡散層12を浮遊状態とし、ソー
ス拡散層13に12V、制御ゲート電極22に0Vの電
圧を与える。
【0058】このため、浮遊ゲート電極23中の電子
が、FNトンネリングによりトンネル酸化膜14を介し
てソース拡散層13に引き抜かれ、メモリセルトランジ
スタT4〜T9のしきい値電圧は例えば7V程度から2
V程度に下降しセクター消去が行われる。
【0059】また、読み出し時においては、例えばメモ
リセルトランジスタT5を選択する場合、図示しないデ
コーダにより例えばビット線D1に1V、ビット線D
0、D2に0V、ソース線S0に0V、ワード線W1に
5V、ワード線W0、W2、W3に0Vを印加すること
により、メモリセルトランジスタT5のドレイン拡散層
12に1V、ソース拡散層13に0V、制御ゲート電極
22に5Vの電圧を与え、メモリセルトランジスタT5
に電流が流れるかどうかを不図示のセンスアンプにより
検出する。
【0060】この第1実施例において、メモリセル26
の面積が図9の従来例と同一の場合、書き込み時に制御
ゲート電極22に印加する電圧を12V程度から10V
程度に減少でき、動作時の低電圧化が可能となる。
【0061】また、図9の従来例と書き込み動作時にお
ける電圧印加条件を同一として、制御ゲート電極22と
浮遊ゲート電極23間の容量CFCの値を従来例と同一に
する場合、素子分離膜21と浮遊ゲート電極23とのオ
ーバーラップ量を小さくできるため、メモリセル26の
面積の縮小化が可能となる。
【0062】例えば、0.8μmルール程度のデザイン
ルールでメモリセル26を形成した場合、従来例ではメ
モリセル26の面積は約10μm2 程度の大きさとなる
が、第1実施例においては素子分離膜21と浮遊ゲート
電極23とのオーバーラップ量を1μm程度から0.7
μm程度に減少でき、メモリセル26の面積を約8μm
2 程度と約20%の縮小が可能となる。
【0063】次に、本発明の第1実施例による不揮発性
半導体記憶装置の製造方法を図5を参照しながら説明す
る。
【0064】図5は、本発明の第1実施例による不揮発
性半導体記憶装置の製造方法を工程順に示す断面図であ
る。
【0065】まず、図5(a)に示すように、P型シリ
コン基板11上に、素子分離膜21としてLOCOS法
によって例えば4000〜9000Å程度の膜厚のシリ
コン酸化膜を選択的に形成する。
【0066】次に、ウエットエッチングにより素子領域
のP型シリコン基板11の表面を露出させた後、熱酸化
法によってトンネル酸化膜14として50〜130Å程
度の膜厚のシリコン酸化膜を形成する。
【0067】次に、図5(b)に示すように、1000
〜2000Å程度の膜厚の導電性多結晶シリコン膜をC
VD法などにより形成した後、フォトリソグラフィー及
びドライエッチングにより、素子分離膜21上の制御ゲ
ート電極22が存在する領域において前記多結晶シリコ
ン膜を図2のA−A方向に分離させ、浮遊ゲート電極2
3を形成する。
【0068】次に、浮遊ゲート電極23をマスクとして
素子分離膜21を1000〜3000Å程度ウエットエ
ッチングすることにより浮遊ゲート電極23が素子分離
膜21上にオーバーラップしている下部領域を除去し、
浮遊ゲート電極23と素子分離膜21との間に隙間領域
15を形成する。
【0069】このウエットエッチングは、層間絶縁膜1
6を形成する前にアンモニアの過酸化水素水溶液やフッ
化水素酸水溶液で表面をエッチングして重金属やパーテ
ィクルを除去する洗浄工程と兼用することにより、工程
数が増加することを防止でき、工程条件の若干の変更で
本実施例の実現が可能となる。
【0070】例えば、この洗浄工程のフッ化水素酸水溶
液によるエッチング時間を長くしたり、0.1%程度の
フッ化水素酸水溶液の濃度を2%程度の濃度に変更し
て、フッ化水素酸水溶液の濃度を高くすることにより、
素子分離膜21との間に隙間領域15を形成できる。
【0071】次に、図5(c)に示すように、CVD法
及び熱酸化法により浮遊ゲート電極23の上部、側部及
び隙間領域15の表面上に、層間絶縁膜16として例え
ばシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜か
らなる酸化膜厚換算で300Å程度の膜厚のONO絶縁
膜を形成する。
【0072】次に、図5(d)に示すように、CVD法
などにより層間絶縁膜16の表面を覆うように導電性の
多結晶シリコン膜を形成した後、フォトリソグラフィー
及びドライエッチングにより前記多結晶シリコン膜を図
2のB−B方向に分離させ、制御ゲート電極22を形成
する。この時、浮遊ゲート電極23及び層間絶縁膜16
も同時にエッチングを行い、浮遊ゲート電極23及び層
間絶縁膜16を図2のB−B方向に分離させる。
【0073】次に、制御ゲート電極22をマスクとして
燐や砒素などの不純物を1×1018〜1×1021cm-3
度の表面濃度でイオン注入することにより、不図示のN
型のドレイン拡散層12及びソース拡散層13を形成し
た後、熱処理をおこなってドレイン拡散層12及びソー
ス拡散層13を浮遊ゲート電極23とオーバーラップさ
せる。
【0074】次に、図5(e)に示すように、CVD法
により層間絶縁膜19として燐及びボロンを含んだシリ
コン酸化膜(BPSG膜)を形成し、不図示のコンタク
トホール24を開口した後、スパッタ法によってAl−
Si−Cuなどの金属配線層25を形成する。
【0075】次に、本発明の第2実施例による不揮発性
半導体記憶装置を図6及び図7を参照しながら説明す
る。
【0076】図6は図7のA−A線で切断した断面図で
あり、図7は本発明の第2実施例によるメモリセルのパ
ターンを示す平面図である。
【0077】図6において、P型シリコン基板41上に
は、素子分離膜45としてLOCOS法によって例えば
2000Å程度の膜厚のシリコン酸化膜が形成されると
ともに素子分離膜45の下方には4000Å程度の膜厚
の拡散層分離用酸化膜44によって分離されたドレイン
拡散層43及びソース拡散層42が形成されている。
【0078】ドレイン拡散層43及びソース拡散層42
は、浮遊ゲート電極47の一部の領域にオーバーラップ
するように形成されており、ドレイン拡散層43及びソ
ース拡散層42には、不純物として砒素が1×1018
1×1021cm-3程度の表面濃度で導入されている。
【0079】素子分離膜45によって素子分離されたチ
ャネル領域には、トンネル酸化膜46として50〜13
0Å程度の膜厚のシリコン酸化膜が熱酸化によって形成
され、トンネル酸化膜46の上部には、浮遊ゲート電極
47として導電性の多結晶シリコン膜が隙間領域52を
有するように素子分離膜45に跨がって形成されてい
る。
【0080】浮遊ゲート電極47の上部、側部及び隙間
領域52の表面上には、層間絶縁膜48として例えばシ
リコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜からな
る酸化膜厚換算で300Å程度の膜厚のONO絶縁膜が
形成され、層間絶縁膜48の上部には、制御ゲート電極
49として導電性の多結晶シリコン膜が隙間領域52を
埋め込むように形成されている。
【0081】制御ゲート電極49の上部には層間絶縁膜
50を介してAl−Si−Cuなどの金属配線層51が
形成されている。
【0082】次に、本発明の第2実施例による不揮発性
半導体記憶装置の動作を図8を参照しながら説明する。
【0083】図8は本発明の第2実施例による不揮発性
半導体記憶装置を等価的に示す回路図である。
【0084】書き込み時において、例えばメモリセルト
ランジスタT5を選択する場合、図示しないデコーダに
より例えばビット線D1に3V、ビット線D0、D2に
0V、ソース線S0に0V、ワード線W1に−9V、ワ
ード線W0、W2、W3に0V、基板41に0V、選択
ワード線SW1に3V、選択ワード線SW2に0Vを印
加することにより、選択トランジスタST1をオフ、選
択トランジスタST2をオンさせ、メモリセルトランジ
スタT5のソース拡散層42を浮遊状態とし、ドレイン
拡散層43に3V、、制御ゲート電極49に−9Vの電
圧を与える。
【0085】このため、FNトンネリングにより浮遊ゲ
ート電極47中の電子がドレイン拡散層43に引き抜か
れメモリセルトランジスタT5の書き込みが行われる。
【0086】また、消去時において、図示しないデコー
ダにより例えばビット線D0〜D2に0V、ソース線S
0に0V、ワード線W1に13V、ワード線W0、W
2、W3に0V、基板41に0V、選択ワード線SW
1、SW2に3Vを印加することにより、選択トランジ
スタST1、ST2をオンさせ、ドレイン拡散層43及
びソース拡散層42に0V、制御ゲート電極49に0V
の電圧を与える。
【0087】このため、FNトンネリングにより基板4
1からワード線W1に接続されているメモリセルトラン
ジスタT4〜T6に電子が注入され、セクター消去がお
こなわれる。
【0088】また、読み出し時においては、例えばメモ
リセルトランジスタT5を選択する場合、図示しないデ
コーダにより例えばビット線D1に1V、ビット線D
0、D2に0V、ソース線S0に0V、ワード線W1に
3V、ワード線W0、W2、W3に0V、基板41に0
V、選択ワード線SW1、SW2に3Vを印加すること
により、選択トランジスタST1、ST2をオンさせ、
メモリセルトランジスタT5のドレイン拡散層43に1
V、ソース拡散層42に0V、制御ゲート電極49に3
Vの電圧を与え、メモリセルトランジスタT5に電流が
流れるかどうかを不図示のセンスアンプで検出する。
【0089】この第2実施例において、メモリセルの面
積が図10の従来例と同一の場合、書き込み時における
制御ゲート電極49に印加する電圧を減少でき、動作時
の低電圧化が可能となる。
【0090】また、図10の従来例と書き込み動作時に
おける電圧印加条件を同一として、制御ゲート電極49
と浮遊ゲート電極47間の容量CFCの値を従来例と同一
にする場合、素子分離膜45と浮遊ゲート電極47との
オーバーラップ量を小さくできるため、メモリセルの面
積の縮小化が可能となる。
【0091】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
制御ゲート電極が絶縁膜を介して浮遊ゲート電極の下面
にも存在するようにしたので、メモリセルの面積を大き
くすることなしに容量結合比を大きくすることができ、
メモリセルの動作時における低電圧化及び、高速化が可
能となる。
【0092】また、浮遊ゲート電極となる前記第1の多
結晶シリコン膜をマスクとして素子分離絶縁膜に空洞部
を形成し、前記空洞部が埋め込まれるように層間絶縁膜
を介して制御ゲート電極となる第2の多結晶シリコン膜
を形成するようにしたので、メモリセルの製造時におけ
る工程数がほとんど増大せず、スループットや歩留りな
どが悪化することがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例による不揮発性半導体記憶
装置のメモリセルの構造を示す断面図である。
【図2】従来及び本発明の第1実施例による不揮発性半
導体記憶装置のメモリセルのパターンを示す平面図であ
る。
【図3】本発明の第1実施例による不揮発性半導体記憶
装置を等価的に示す回路図である。
【図4】本発明の第1実施例による不揮発性半導体記憶
装置のメモリセルを等価的に示す回路図である。
【図5】本発明の第1実施例による不揮発性半導体記憶
装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図6】本発明の第2実施例による不揮発性半導体記憶
装置のメモリセルの構造を示す断面図である。
【図7】本発明の第2実施例による不揮発性半導体記憶
装置のメモリセルのパターンを示す平面図である。
【図8】本発明の第2実施例による不揮発性半導体記憶
装置を等価的に示す回路図である。
【図9】従来の不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの
構造を示す断面図である。
【図10】従来の不揮発性半導体記憶装置のメモリセル
の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
11、41 P型シリコン半導体基板 12、43 ドレイン拡散層 13、42 ソース拡散層 14、46 トンネル酸化膜 15、52 隙間領域 16、19、48、50 層間絶縁膜 21、45 素子分離膜 22、49 制御ゲート電極 23、47 浮遊ゲート電極 24 コンタクトホール 25、51 金属配線層 26 メモリセル 44 拡散層分離用酸化膜 T1〜T12 メモリセルトランジスタ ST1〜ST6 選択トランジスタ D0〜D2 ビット線 W0〜W3 ワード線 S0 ソース線 SW1、SW2 選択ワード線

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型半導体基板に所定の間隔を介
    して形成された第2導電型のソース/ドレイン拡散層
    と、 前記ソース/ドレイン拡散層の間に形成されたチャネル
    領域にトンネル酸化膜を介して一部の領域が接している
    浮遊ゲート電極と、 前記浮遊ゲート電極上に形成されるとともに少なくとも
    一部の領域が前記浮遊ゲート電極の下面に絶縁膜を介し
    て接する制御ゲート電極とを備えることを特徴とする不
    揮発性半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 前記浮遊ゲート電極の下面に接する領域
    は、前記半導体基板上の素子分離領域に形成されている
    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
    装置。
  3. 【請求項3】 半導体基板上に素子分離絶縁膜を選択的
    に形成する工程と、 第1の多結晶シリコン膜を全面に形成する工程と、 前記第1の多結晶シリコン膜を選択的にエッチングする
    ことにより前記素子分離絶縁膜を部分的に露出させる工
    程と、 前記第1の多結晶シリコン膜をマスクとして前記素子分
    離絶縁膜を部分的にエッチングすることにより前記素子
    分離絶縁膜に空洞部を形成する工程と、 層間絶縁膜を全面に形成する工程と、 第2の多結晶シリコン膜を全面に形成する工程と、 前記第1の多結晶シリコン膜、前記層間絶縁膜、前記第
    2の多結晶シリコン膜を選択的にエッチングする工程と
    を備えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の製
    造方法。
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