JPH08507906A - 単一のポリシリコン層を含むｅ▲上２▼ｐｒｏｍセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 Ｅ²ＰＲＯＭセルは、ある導電型の基板（２００）を含んでおり、この基板（２００）には、その表面に沿って、逆の導電型のソース及びドレイン領域（２１０、２１２）が配置され、更に、ソースとドレインの間にチャネル領域（２１６）が形成されている。チャネル領域の上には酸化物層が形成されており、この酸化物層は、チャネル領域上に位置する比較的厚い部分と、ソース及びドレインのそれぞれの一部の上に位置する第１及び第２の比較的薄い部分とを含んでいる。セルのプログラミングは、デバイスのフローティングゲート（２２２）から酸化物の薄い部分を通過する電子、ドレインから酸化物の薄い部分を介してフローティングゲートへと流れる電子によってなされる。本セルは、ポリシリコン層を一層しか含まず、フローティングゲートもそれから形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 単一のポリシリコン層を含むＥ²ＰＲＯＭセル発明の背景 本発明は、メモリセルに関する。特に、ポリシリコン含有層を１層しか含まな いＥ²ＰＲＯＭセルに関する。従来の技術 Ｓｔｅｗａｒｔ Ｌｏｇｉｅによって発明され、１９９０年５月８日に特許さ れた米国特許第４，９２４，２７８号（名称“ＥＥＰＲＯＭ ＵＳＩＮＧ Ａ ＭＥＲＧＥＤ ＳＯＵＲＣＥ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ ＧＡＴＥ”）明細書を 参照すると、この特許明細書には、その発明の背景として、Ｅ²ＰＲＯＭメモリ デバイスの動作について概略的に記載されている。特に、その第１Ａ図（本出願 中に従来技術として第１図として掲載）では、そこに図示されたセルの典型的な プログラム及び消去方法が説明されている。そこで図示され説明されているよう に、従来の典型的なＥ²ＰＲＯＭメモリセルは、シリコン基板９９中に形成され 基板９９とは反対の導電型を有するソース１０１及びドレイン１０２と、それら の間に形成されたチャネル領域１０３とを有するトランジスタ１００を含む。ゲ ート絶縁体１０４は、多結晶シリコンフローティングゲート１０５をチャネル１ ０３及びドレイン１０２から電気的に絶縁する。非常に薄いトンネル酸化物領域 １０６は、フローティングゲート１０５の一部をドレイン１０２から絶縁してお り、領 域１０４Ａ（厚い酸化物領域１０４Ｂと薄い酸化物領域１０６との接続部分）は 、ドレイン１０２のチャネル領域１０３に隣接するエッジ１０２Ａから横方向に 比較的遠くに間隔を置いて位置している。 このセルのプログラム及び消去は、前記特許明細書中に記載されているように 、電子のファウラー−ノルトハイム（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）トンネ ル効果を利用してなされる。 チャネル領域１０３から比較的離れた位置に薄い酸化物領域１０６が配置され ていることによって、デバイスは必要以上に大きくなっているが、知られている ように、半導体デバイスではセルの高密度実装が望まれている。 次に、１９９２年１２月１３日に刊行されたＫｕｍｅらによる論文“Ａ １． ２８μｍ² Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏ ｌｏｇｙ ｆｏｒ ａ ３ Ｖ−Ｏｎｌｙ ６４Ｍｂｉｔ ＥＥＰＲＯＭ”を参 照すると、この論文中には、特に本出願中に第２図として示されているように構 成されたセルの、ファウラー−ノルトハイム電子トンネル効果を用いたプログラ ム及び消去について述べられている。この論文中に記載されているように、第２ 図のメモリセルは、フローティングゲートからのトンネル効果による電子の放出 によってドレインを通してプログラムされ、チャネル領域全体からフローティン グゲートへのトンネル効果による電子の放出よって消去 される。 この方法では、電子がフローティングゲートへ向かって、またはフローティン グゲートから放出されるときに通過しなければならない酸化物が、比較的短時間 の間に劣化することが分かっている。更に、この酸化物層は、比較的少ないプロ グラム及び消去サイクルの後に、相当量の電子を捕捉する。これらの欠点によっ て、時間の経過とともにデバイスのプログラムは徐々に困難になるため、このよ うなデバイスの寿命は短いものと考えなければならない。更に、前述した特許明 細書及び論文には、２層以上のポリシリコン層を含むデバイスが開示されている が、このようなデバイスは製造が難しく、製造工程のちょっとした変更にも影響 される。発明の要約 特にＥ²ＰＲＯＭセルとして用いられる本発明によるメモリセルは、セルのプ ログラムまたは消去の際に、チャネル領域全体から、酸化物層を通ってフローテ ィングゲート内に電子が通過するという問題を避けると共に、それに伴う電子の 捕捉及び酸化物層の劣化を避けている。それと同時に、このセルは非常に小さい 構造となっており、セルの極めて高密度な実装が可能となっている。更に、本発 明によるデバイスは、ポリシリコン層を１層しか含まず、製造工程も簡単になっ ている。 これらの特徴は、デバイスのゲート酸化物がチャネル領 域の上では比較的厚く、ソース及びドレイン領域の一部の上では比較的薄くなっ ており、更に、厚い部分と薄い部分との接続部分が、ソース及びドレイン領域の チャネル領域に隣接する内側エッジと概ね整合するようになっていることによっ て達成される。更に、本デバイスはポリシリコン層を１層しか含まない。図面の簡単な説明 第１図は、従来のＥ²ＰＲＯＭメモリセルの断面図である。 第２図は、別のＥ²ＰＲＯＭメモリセルの断面図である。 第３図は、本発明によるＥ²ＰＲＯＭセルの図である。 第４図は、第３図のライン４−４に沿った断面図であり、セルのプログラムを 表している。 第５図は、第４図に示されたのと似ているが、セルの消去を表している。 第６図乃至第９図は、第３図乃至第５図に示されたデバイスの製造方法を表す 図である。好適実施例 第３図に示されているように、Ｐ型基板２００には、その表面２０１に沿って 延在するＮ領域２０２、２０４とＮ領域２０６とが、その中に形成されている。 Ｎ領域２０２、２０４は、Ｐ領域２０８によって分離されている。Ｎ領域２０２ 、２０４は、それぞれ、Ｅ²ＰＲＯＭセル２１４のソース２１０、ドレイン２１ ２を形成し、Ｐ領域２０８はチャネル領域２１６を形成している。チャネル領域 ２１６の 上には、酸化物層２１８（第３図に於いては見やすさのために除去しているが、 その一部は第４図に示されている）が配置されている（第４図）。実際には、比 較的厚い部分２１８Ａがチャネル領域２１６上に配置され、この厚い部分２１８ Ａとつながっている第１の比較的薄い部分２１８Ｂがソース領域２１０の上に配 置され、更に、厚い部分２１８Ａとつながった第２の比較的薄い部分２１８Ｃが ドレイン領域２１２の上に配置されている。酸化物層２１０の薄い部分２１８Ｂ と厚い部分２１８Ａとの間の移行部２１８Ｄ（階段構造を形成）は、ソース領域 ２１０のチャネル領域２１６に隣接するエッジ２１０Ａと概ね整合されており、 酸化物層２１８の厚い部分２１８Ａと薄い部分２１８Ｃとの間の移行部２１８Ｅ （階段構造を形成）は、ドレイン領域２１２のチャネル領域２１６に隣接するエ ッジ２１２Ａと概ね整合されている。 “概ね整合されている”という表現は、本明細書中では、酸化物層２１８の幾 分か下のソース領域２１０及びドレイン領域２１２の拡散による若干の不整合を 含むと共に、第４図の酸化物層２１８の完成時に酸化物層２１８の移行部２１８ Ｄ及び２１８Ｅの位置が幾分かずれるような状況も含むことを理解されたい。 ポリシリコン層２２０は、その一部として、デバイス２１４のフローティング ゲート２２２を含んでおり、酸化物層２１８上に配置されている。 ポリシリコン層２２０の一部２２２は、Ｎ領域２０６上に位置するポリシリコ ン層２２０の一部２２４とつながっている。ポリシリコン層の一部２２２、２２ ４は、デバイス２１４の単一のポリシリコン層２２０の一部をなしている。 基板表面２０１のＮ領域２０６は、デバイス２１４の制御ゲートであり、ポリ シリコン層の一部２２４とＮ領域２０６は、その間に酸化物層を含み、第４図に 示されているようなコンデンサ２２６を形成しており、それによってポリシリコ ン層の一部２２２が、デバイス２１４のフローティングゲートとして働くように なっている。 セルをプログラムする際は、制御ゲート２０６はグラウンドに保持され、一方 ソース領域２１０には、例えば＋１２Ｖ乃至１５Ｖの電圧が供給され、ドレイン 領域２１２は浮いた状態に保たれる。これによって、フローティングゲート２２ ２からソース領域２１０に、酸化物層の薄い部分２１８Ｂを通してファウラー− ノルトハイムトンネル効果によって電子が流れる。 このセル２１６の消去は、制御ゲート２０６に＋１２Ｖ乃至１５Ｖの電圧を加 える一方、ドレイン２１２をグラウンドに保持し、ソース２１０を浮いた状態に 保つことによってなされる。ここでもまた、電子のファウラー−ノルトハイムト ンネル効果によって、ドレイン領域２０４から酸化物層の薄い領域２１８Ｃを通 してフローティングゲート ２２２に電子が移動する。 第６図乃至第９図を参照されたい。第３図乃至第５図に示したデバイスは、例 えば、まずＰ型基板３００を用意し、その表面３０１上に酸化物層３０２を成長 させることによって製造される。酸化物層３０２上にフォトレジスト３０４を施 した後、エッチング処理し、フォトレジスト３０４によって覆われていない酸化 物３０２を除去する。これに、Ｎ型ドーピング剤を注入し、基板３００内にソー ス３０６とドレイン３０８とを形成する（第７図）。 その後、フォトレジスト３０４は除去し、比較的厚い酸化物領域３０２Ａが形 成され、比較的薄い酸化物領域３０２Ｂ、３０２Ｃがその両端に形成されるよう に酸化物層３０２を再度成長させる。最後に、ポリシリコンフローティングゲー ト３１０を形成し、酸化物層３０２上で形状を整える。 電子のファウラー−ノルトハイムトンネル効果を利用するため、通常のフラッ シュＥ²ＰＲＯＭセルに於いて必要であるホットエレクトロンを生成する必要が ないことに注意されたい。従って、本発明では、そのようなホットエレクトロン を生成するのに必要な大電流は不要であり、それによって、３Ｖの供給電圧を元 に、１２Ｖ乃至１５Ｖの電圧を得るのに、チャージポンプ（ｃｈａｒｇｅ ｐｕ ｍｐ）を用いることができる。このようなチャージポンプは、ホットエレクサロ ンが生成されるような場合、非常に大きな 電流が流れるために使用することができない。 更に、ホットエレクトロンが生成されるようなフラッシュＥ²ＰＲＯＭセルで は、通常、ホットエレクトロンを生成するため必要なチャネル領域へのボロンの 注入がなされる。このようなボロンの注入は、本発明に於いては排除することが できる。チャネル領域へのボロンの注入を排除することにより、閾値電圧がより 低くなり、それに応じてデバイスのゲインもより高くすることができる。閾値電 圧がより低くなることにより、信頼性も向上する。 必要とされる電流が小さいため、チャージポンプと３Ｖの供給電圧とによって 、セルをまとめて消去するのに十分な１２Ｖ乃至１５Ｖの電圧を得ることができ る。 酸化物層を通してチャネル領域全体からフローティングゲート内へ電子が移動 するのを防ぎ、上述したように、電子がソースまたはドレイン上の比較的薄い部 分を通してのみ移動するようにすることによって、酸化物層の劣化または酸化物 層への電子の捕捉といった問題が、大幅に軽減または排除されている。 更に、上述したように、背景技術として挙げた資料に記述されているセルは、 どちらも、少なくとも２層のポリシリコン層を含んでいるため、このようなデバ イスは製造が難しく、製造工程のわずかな変更によっても影響を受け、所望の動 作をしないかまたは全く動作しないようになってしまう。これらの問題は、本発 明では、ポリシリコン層を １層しか含まないことによって解決されている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１０月１８日 【補正内容】 請求の範囲 １．Ｅ²ＰＲＯＭセルであって、 第１導電型の基板であって、該基板の表面に沿って配置されると共に該基板中 に入り込んでいる第２導電型のソース領域とドレイン領域と制御領域とを有し、 第２導電型の前記ソース領域と前記ドレイン領域とによってその間にチャネル領 域が該基板の表面に沿って両定され、前記制御領域が前記ソース領域及び前記ド レイン領域から分離されている該基板と、 前記チャネル領域の上及び第２導電型の前記ソース領域と前記ドレイン領域と 前記制御領域の一部の上に形成されたゲート酸化物と、 前記ゲート酸化物の上に形成され、前記ソース領域及び前記ドレイン領域から 前記制御領域へと延在する、当該セルの単一のポリシリコン層の一部であるフロ ーティングゲートとを含み、 前記ゲート酸化物は、前記チャネル領域の上に位置する比較的厚い第１部分と 、第２導電型の前記ソース領域の前記一部の上に位置する比較的薄い第２部分と 、第２導電型の前記ドレイン領域の前記一部の上に位置する比較的薄い第３部分 とを含み、前記薄い第２部分と第３部分とは同じ厚さを有し、 前記ゲート酸化物の前記第１部分と前記第２部分との間の接続部が、第２導電 型の前記ソース領域の前記チャネル 領域に隣接するエッジと概ね整合しており、前記ゲート酸化物の前記第１部分と 前記第３部分との間の接続部が、第２導電型の前記ドレイン領域の前記チャネル 領域に隣接するエッジと概ね整合していることを特徴とするＥ²ＰＲＯＭセル。 ２．前記比較的厚い部分、比較的薄い部分、及び前記ゲート酸化物の前記第１部 分と前記第２部分との接続部とによって、階段構造が形成されていることを特徴 とする請求項１に記載のセル。 ３．Ｅ²ＰＲＯＭセルであって、 第１導電型の基板であって、該基板の表面に沿って配置されると共に該基板中 に入り込んでいる第２導電型のソース領域とドレイン領域と制御領域とを有し、 第２導電型の前記ソース領域と前記ドレイン領域とによってその間にチャネル領 域が該基板の表面に沿って画定され、前記制御領域が前記ソース領域及び前記ド レイン領域から分離されている該基板と、 前記チャネル領域の上及び第２導電型の前記ソース領域の一部の上に形成され たゲート酸化物部分を含む、第２導電型の前記ソース領域、前記ドレイン領域、 及び前記制御領域の上に形成された酸化物層と、 前記ソース領域及び前記ドレイン領域から前記制御領域へと延在するように前 記酸化物層上に形成されたフローティングゲートとを含み、 当該セルのプログラムでは、電子が、前記フローティングゲートから、前記ゲ ート酸化物を通って、第２導電型の前記ソース領域と前記ドレイン領域の一方に 流れ、 当該セルの消去では、電子が、第２導電型の前記ソース領域と前記ドレイン領 域の他方から、前記ゲート酸化物を通って、前記フローティングゲートへ流れ、 前記フローティングゲートは、当該セルの唯一のポリシリコン層の一部である ことを特徴とするＥ²ＰＲＯＭセル。 ４．前記基板の表面に於ける領域によって画定された制御ゲートを更に含むこと を特徴とする請求項３に記載のセル。 ５．前記ゲート酸化物が、前記チャネル領域の上に位置する比較的厚い第１部分 と、第２導電型の前記ソース領域の前記一部の上に位置する比較的薄い第２部分 とを有し、 前記ゲート酸化物の前記第１部分と前記第２部分との間の接続部が、第２導電 型の前記ソース領域の前記チャネル領域に隣接するエッジと概ね整合しているこ とを特徴とする請求項４に記載のセル。 ６．前記ゲート酸化物が、第２導電型の前記ドレイン領域の上に位置する比較的 薄い第３部分を含み、 前記ゲート酸化物の前記第１部分と前記第３部分との間の接続部が、第２導電 型の前記ドレイン領域の前記チャネル領域に隣接するエッジと概ね整合している ことを特徴とする請求項４に記載のセル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/792

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．Ｅ²ＰＲＯＭセルであって、 第１導電型の基板であって、該基板の表面に沿って配置されると共に該基板中 に入り込んでいる第２導電型の第１領域と第２領域とを有し、第２導電型の前記 第１領域と前記第２領域とによってその間にチャネル領域が該基板の表面に沿っ て画定されている該基板と、 前記チャネル領域の上及び第２導電型の前記第１領域と前記第２領域の一部の 上に形成されたゲート酸化物とを含み、 前記ゲート酸化物は、前記チャネル領域の上に位置する比較的厚い第１部分と 、第２導電型の前記第１領域の前記一部の上に位置する比較的薄い第２部分と、 第２導電型の前記第２領域の前記一部の上に位置する比較的薄い第３部分とを有 し、前記薄い第２部分と第３部分とは同じ厚さを有し、 前記ゲート酸化物の前記第１部分と前記第２部分との間の接続部分が、第２導 電型の前記第１領域の前記チャネル領域に隣接するエッジと概ね整合しており、 前記ゲート酸化物の前記第１部分と前記第３部分との間の接続部分が、第２導電 型の前記第２領域の前記チャネル領域に隣接するエッジと概ね整合していること を特徴とするＥ²ＰＲＯＭセル。 ２．前記セルの単一のポリシリコン層の一部として、前記 ゲート酸化物上に形成されたフローティングゲートを更に含むことを特徴とする 請求項１に記載のセル。 ３．前記比較的厚い部分、比較的薄い部分、及び前記ゲート酸化物の前記第１部 分と前記第２部分との接続部分とによって、階段構造が形成されていることを特 徴とする請求項１に記載のセル。 ４．Ｅ²ＰＲＯＭセルであって、 第１導電型の基板であって、該基板の表面に沿って配置されると共に該基板中 に入り込んでいる第２導電型の第１領域と第２領域とを有し、第２導電型の前記 第１領域と前記第２領域とによってその間にチャネル領域が該基板の表面に沿っ て画定されている該基板と、 前記チャネル領域の上及び第２導電型の前記第１領域の一部の上に形成された ゲート酸化物と 前記ゲート酸化物上に形成されたフローティングゲートとを含み、 当該セルのプログラムでは、電子が、前記フローティングゲートから、前記ゲ ート酸化物を通って、第２導電型の前記第１領域と前記第２領域の一方に流れ、 当該セルの消去では、電子が、第２導電型の前記第１領域と前記第２領域の他 方から、前記ゲート酸化物を通って、前記フローティングゲートへ流れ、 前記フローティングゲートは、当該セルの唯一のポリシリコン層の一部である ことを特徴とするＥ²ＰＲＯＭセル。 ５．前記基板の表面に於ける領域によって画定された制御ゲートを更に含むこと を特徴とする請求項４に記載のセル。 ６．前記ゲート酸化物が、前記チャネル領域の上に位置する比較的厚い第１部分 と、第２導電型の前記第１領域の前記一部の上に位置する比較的薄い第２部分と を有し、 前記ゲート酸化物の前記第１部分と前記第２部分との間の接続部分が、第２導 電型の前記第１領域の前記チャネル領域に隣接するエッジと概ね整合しているこ とを特徴とする請求項５に記載のセル。 ７．前記ゲート酸化物が、第２導電型の前記第２領域の上に位置する比較的薄い 第３部分を含み、 前記ゲート酸化物の前記第１部分と前記第３部分との間の接続部分が、第２導 電型の前記第２領域の前記チャネル領域に隣接するエッジと概ね整合しているこ とを特徴とする請求項５に記載のセル。