JPH0878542A - Nonvolatile semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、不揮発性半導体装置に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-volatile semiconductor device.
【0002】[0002]
【従来の技術】電気的に情報の書き換えが可能である不
揮発性半導体装置においては、浮遊ゲートに情報を書き
込みおよび/または消去する際に、ゲート絶縁膜を通過
するFN(Fowler-Nordheim) トンネル電流を用いて電子
の出し入れを行っている。図22はLOCOS素子分離
を用いた従来の不揮発性半導体装置の一例を示したもの
であり、図22(A)はワード線方向の断面図であり、
図22(B)はビット線方向の断面図である。この不揮
発性半導体装置のメモリセルは次のようにして作製され
る。2. Description of the Related Art In a nonvolatile semiconductor device in which information can be electrically rewritten, an FN (Fowler-Nordheim) tunnel current passing through a gate insulating film when writing and / or erasing information in a floating gate is performed. The electron is used for taking in and out. FIG. 22 shows an example of a conventional non-volatile semiconductor device using LOCOS element isolation, and FIG. 22 (A) is a sectional view in the word line direction.
FIG. 22B is a cross-sectional view in the bit line direction. The memory cell of this nonvolatile semiconductor device is manufactured as follows.
【0003】半導体基板であるシリコン基板にウエル1
を形成した後、その上にバッファ酸化膜を形成する。そ
の上にポリシリコン膜およびシリコン窒化膜を順次形成
する。その後、レジストによりパターニングを行い、素
子分離となる領域のシリコン窒化膜をエッチングする。
次いで、これを酸化してLOCOS2を形成する。次い
で、バッファ酸化膜をエッチングにより除去し、いわゆ
るトンネル酸化膜であるゲート絶縁膜3を形成する。こ
れらのゲート絶縁膜は基板の表面形状に追従するので通
常表面が平坦である。次いで、ゲート絶縁膜3上に浮遊
ゲートとなるポリシリコン膜4を形成し、ONO(Oxid
e-Nitride-Oxide )積層膜等の絶縁膜5を形成した後
に、その上に制御ゲートとなるポリシリコン膜6を形成
する。さらに、常法により配線を形成する。Well 1 is formed on a silicon substrate which is a semiconductor substrate.
Then, a buffer oxide film is formed thereon. A polysilicon film and a silicon nitride film are sequentially formed thereon. After that, patterning is performed with a resist, and the silicon nitride film in the region for element isolation is etched.
Then, it is oxidized to form LOCOS2. Then, the buffer oxide film is removed by etching to form a gate insulating film 3 which is a so-called tunnel oxide film. Since these gate insulating films follow the surface shape of the substrate, the surface is usually flat. Next, a polysilicon film 4 to be a floating gate is formed on the gate insulating film 3, and ONO (Oxid
After forming an insulating film 5 such as an e-Nitride-Oxide) laminated film, a polysilicon film 6 to be a control gate is formed thereon. Further, wiring is formed by a conventional method.
【0004】一方、図23はトレンチ素子分離を用いた
従来の不揮発性半導体装置の一例を示したものであり、
図23(A)はワード線方向の断面図であり、図23
(B)はビット線方向の断面図である。この不揮発性半
導体装置のメモリセルは次のようにして作製される。On the other hand, FIG. 23 shows an example of a conventional non-volatile semiconductor device using trench isolation.
23A is a cross-sectional view in the word line direction.
FIG. 6B is a sectional view in the bit line direction. The memory cell of this nonvolatile semiconductor device is manufactured as follows.
【0005】半導体基板であるシリコン基板にウエル7
を形成した後、その上にバッファ酸化膜を形成する。そ
の上にポリシリコン膜およびCVD酸化膜を順次形成す
る。その後、レジストによりパターニングを行い、素子
分離となる領域のCVD酸化膜、ポリシリコン膜、バッ
ファ酸化膜、およびシリコン基板までをエッチングして
トレンチを形成する。次いで、このトレンチに埋め込み
材として、例えばLP−TEOS(Low Pressure Tetra
-Ethyl-Oxide-Silicon)8を埋め込む。次いで、CMP
(Chemical Mechanical Polishing )法またはエッチバ
ック法により全面を平坦化し、ゲート上のポリシリコン
膜を除去して素子分離を完了する。次いで、バッファ酸
化膜を除去してゲート絶縁膜2を形成する。その後、L
OCOSの場合と同様にして浮遊ゲート4、絶縁膜5、
および制御ゲート6を形成する。このときのSDG(ソ
ース・ドレイン・ゲート)のエッジ9は酸化膜により覆
われており露出されないので、SDG上に形成されるゲ
ート絶縁膜3は、やはり酸化膜の表面形状に追従して表
面が平坦となる。A well 7 is formed on a silicon substrate which is a semiconductor substrate.
Then, a buffer oxide film is formed thereon. A polysilicon film and a CVD oxide film are sequentially formed on it. After that, patterning is performed with a resist, and the trenches are formed by etching the CVD oxide film, the polysilicon film, the buffer oxide film, and the silicon substrate in the regions to be element isolation. Then, as a filling material in this trench, for example, LP-TEOS (Low Pressure Tetra) is used.
-Ethyl-Oxide-Silicon) 8 is embedded. Then CMP
The entire surface is planarized by the (Chemical Mechanical Polishing) method or the etch back method, and the polysilicon film on the gate is removed to complete the element isolation. Then, the buffer oxide film is removed to form the gate insulating film 2. Then L
As in the case of OCOS, the floating gate 4, the insulating film 5,
And the control gate 6 is formed. Since the edge 9 of the SDG (source / drain / gate) at this time is covered with the oxide film and is not exposed, the surface of the gate insulating film 3 formed on the SDG follows the surface shape of the oxide film. It becomes flat.
【0006】図22および図23に示す従来の不揮発性
半導体装置においては、トンネル酸化膜であるゲート絶
縁膜の表面は、一般に平面あるいは平面に近い曲率を持
つ曲面である。このため、情報の書き込み/消去のため
にバイアスを印加した際に、メモリセルを構成するトラ
ンジスタのチャネル領域の電界分布は全体にわたってほ
ぼ均一となる。また、ゲート絶縁膜が平坦な平面である
ので、ゲート絶縁膜中の厚さ方向の電界分布も一様とな
る。具体的には、図22に示すLOCOS素子分離型の
場合には、電界分布は図24(A)に示すようになり、
図23に示すトレンチ素子分離型の場合には、電界分布
は図24(B)に示すようになる。In the conventional nonvolatile semiconductor device shown in FIGS. 22 and 23, the surface of the gate insulating film which is a tunnel oxide film is generally a flat surface or a curved surface having a curvature close to a flat surface. Therefore, when a bias is applied for writing / erasing information, the electric field distribution in the channel region of the transistor forming the memory cell becomes substantially uniform throughout. Moreover, since the gate insulating film is a flat plane, the electric field distribution in the thickness direction in the gate insulating film is also uniform. Specifically, in the case of the LOCOS element separation type shown in FIG. 22, the electric field distribution is as shown in FIG.
In the case of the trench element separation type shown in FIG. 23, the electric field distribution is as shown in FIG.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上記のような不揮発性
半導体装置においては、情報の書き込み/消去の際に制
御ゲートあるいはウエルに印加する電圧の値は、制御ゲ
ートと浮遊ゲートの間の容量の値が同じであるならば、
すなわち、メモリセルの形状(制御ゲートと浮遊ゲート
との間の絶縁膜の種類、膜厚、または断面積等を含む)
が同じであるならば、トンネル酸化膜の膜厚によって一
意的に決まる。したがって、トンネル酸化膜の膜厚を薄
くすることにより、情報の書き込み/消去の際に必要と
なる電圧を低くすることができる。In the above non-volatile semiconductor device, the value of the voltage applied to the control gate or well at the time of writing / erasing information is determined by the capacitance between the control gate and the floating gate. If the values are the same,
That is, the shape of the memory cell (including the type, thickness, or cross-sectional area of the insulating film between the control gate and the floating gate)
Are uniquely determined by the thickness of the tunnel oxide film. Therefore, by reducing the thickness of the tunnel oxide film, the voltage required for writing / erasing information can be lowered.
【0008】近年、不揮発性半導体装置の消費電力を小
さくするために、情報の書き込み/消去の際の電圧を低
くすることが要求されているが、トンネル酸化膜の薄膜
化には限界がある。例えば、非常に薄い酸化膜は現在の
酸化法では安定に形成することができず、膜厚が非常に
ばらついたり、形成できたとしても耐圧が下がる恐れが
ある。また、不揮発性半導体装置の信頼性を決めるスト
レスリーク値も、酸化膜が薄くなるにしたがい大きくな
っていき、デバイスの信頼性、特に読み出し保持特性を
低下させる傾向がある。具体的には、図25に示すよう
に、トンネル酸化膜の厚さToxが薄くなるにしたがい、
読み出し保持特性を示すRead Disturb Time が低くな
る。In recent years, in order to reduce the power consumption of a non-volatile semiconductor device, it is required to lower the voltage for writing / erasing information, but there is a limit to thinning the tunnel oxide film. For example, a very thin oxide film cannot be stably formed by the current oxidation method, and there is a possibility that the film thickness will vary greatly, or even if it can be formed, the breakdown voltage will decrease. Further, the stress leak value that determines the reliability of the nonvolatile semiconductor device also increases as the oxide film becomes thinner, and the reliability of the device, particularly the read retention characteristic, tends to deteriorate. Specifically, as shown in FIG. 25, as the thickness Tox of the tunnel oxide film becomes thinner,
Read Disturb Time, which shows the read retention characteristic, becomes low.
【0009】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、トンネル酸化膜の厚さを従来よりも薄くすること
なしに、情報の書き込み/消去の際に印加するバイアス
を低く抑えることができ、情報の書き込み/消去の速度
を速くすることができる不揮発性半導体装置を提供する
ことを目的とする。The present invention has been made in view of the above point, and the bias applied at the time of writing / erasing information can be suppressed to a low level without making the thickness of the tunnel oxide film thinner than before. An object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor device capable of increasing the speed of writing / erasing information.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板
と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前
記ゲート絶縁膜上に形成された浮遊ゲートと、前記浮遊
ゲート上に絶縁膜を介して形成された制御ゲートとによ
り構成されており、電気的に情報の書き換えが可能であ
るメモリセルを複数配列してなるセルアレイを具備し、
前記メモリセル領域に対応する前記半導体基板の少なく
とも一部が凹凸形状を有していることを特徴とする不揮
発性半導体装置を提供する。According to the present invention, a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a floating gate formed on the gate insulating film, and an insulating film on the floating gate are provided. And a control gate formed via a memory cell array, and comprising a cell array in which a plurality of electrically rewritable memory cells are arranged.
There is provided a nonvolatile semiconductor device, wherein at least a part of the semiconductor substrate corresponding to the memory cell region has an uneven shape.
【0011】また、本発明は、半導体基板と、前記半導
体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁
膜上に形成された浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に絶
縁膜を介して形成された制御ゲートとにより構成されて
おり、電気的に情報の書き換えが可能であるメモリセル
を複数配列してなるセルアレイを具備し、情報の書き込
みおよび消去の際に印加するバイアス方向に応じて、前
記ゲート絶縁膜を通過するトンネル電流の方向が双方向
に変化し、前記メモリセル領域に対応する前記半導体基
板の少なくとも一部が凹凸形状を有し、前記トンネル電
流は電界が集中する前記半導体基板の領域を通過するこ
とを特徴とする不揮発性半導体装置を提供する。Further, according to the present invention, a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a floating gate formed on the gate insulating film, and an insulating film formed on the floating gate via an insulating film. And a control gate that is electrically connected to each other, and includes a cell array in which a plurality of electrically rewritable memory cells are arranged. According to a bias direction applied when writing and erasing information, The direction of a tunnel current passing through the gate insulating film changes bidirectionally, at least a part of the semiconductor substrate corresponding to the memory cell region has an uneven shape, and the tunnel current has an electric field concentrated therein. Provided is a non-volatile semiconductor device which is characterized in that it passes through the region.
【0012】[0012]
【作用】本発明の不揮発性半導体装置は、メモリセル領
域に対応する半導体基板の少なくとも一部が凹凸形状を
有していることを特徴としている。したがって、半導体
基板上に形成されるトンネル酸化膜は凹凸形状に追従し
て形成されて、その表面は平坦ではなく、凹凸形状とな
る。The non-volatile semiconductor device of the present invention is characterized in that at least a part of the semiconductor substrate corresponding to the memory cell region has an uneven shape. Therefore, the tunnel oxide film formed on the semiconductor substrate is formed so as to follow the uneven shape, and the surface is not flat but has the uneven shape.
【0013】情報の書き込み/消去の際に電圧を印加す
ると、トンネル酸化膜の曲面あるいは角部に電界が集中
する。このため、曲面あるいは角部において、見掛けの
電界の強さが強くなる。したがって、従来と同じ膜厚の
トンネル酸化膜であっても、より低い電圧で情報の書き
込み/消去を行うことができ、また、情報の書き込み/
消去の速度を上げることができる。When a voltage is applied at the time of writing / erasing information, an electric field concentrates on the curved surface or the corner of the tunnel oxide film. Therefore, the apparent strength of the electric field increases at the curved surface or the corner. Therefore, even if the tunnel oxide film has the same thickness as the conventional one, it is possible to write / erase information at a lower voltage, and to write / erase information.
The erasing speed can be increased.
【0014】また、本発明の不揮発性半導体装置によれ
ば、NAND型のような情報の書き込みおよび消去の際
に印加するバイアス方向に応じて、ゲート絶縁膜を通過
するトンネル電流の方向が双方向に変化するデバイスで
あっても、トンネル電流は双方向で電界が集中する領域
を通過するので、情報の書き込みの状態でも消去の状態
でも、より低い電圧で速く情報の書き込み/消去を行う
ことができる。Further, according to the nonvolatile semiconductor device of the present invention, the direction of the tunnel current passing through the gate insulating film is bidirectional depending on the bias direction applied at the time of writing and erasing information such as NAND type. Even in a device that changes to a high speed, since the tunnel current passes through the region where the electric field is concentrated in both directions, it is possible to write / erase information at a lower voltage faster in both the information writing state and the erasing state. it can.
【0015】[0015]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。 (実施例1)図1は本発明の不揮発性半導体装置の第1
の実施例を示す断面図である。図中11はp形ウエルを
示す。p形ウエル11には、ソース12およびドレイン
13が形成されている。この上には、厚さ60〜150
オングストロームのトンネル酸化膜14が形成されてい
る。この半導体基板であるシリコン基板は、ソース12
の領域に凹凸部である窪み18が形成されている。この
ため、トンネル酸化膜14は窪み18に追従して形成さ
れている。この窪み18は、図2(A)に示すように、
線状に連続して形成されていてもよく、図2(B)に示
すように、お椀状に形成されていてもよい。また、この
窪み18は、ソース12領域だけでなく、チャネル領域
やドレイン領域13にまで広がっていてもよい。さら
に、トンネル酸化膜14上に、ポリシリコンからなる浮
遊ゲート15が形成されている。この浮遊ゲート15上
には、ONO積層膜16を介してポリシリコンからなる
制御ゲート17が形成されている。本実施例では、単体
のメモリセル構造を示しているが、一般にこのメモリセ
ルはNOR型のセルアレイを構成する一部である。その
セルアレイ構造の一例を図3に示す。Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 shows a nonvolatile semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the Example of. In the figure, 11 indicates a p-type well. A source 12 and a drain 13 are formed in the p-type well 11. On top of this, a thickness of 60-150
An angstrom tunnel oxide film 14 is formed. The silicon substrate which is the semiconductor substrate is the source 12
A recess 18 that is an uneven portion is formed in the area of. Therefore, the tunnel oxide film 14 is formed so as to follow the depression 18. This recess 18 is, as shown in FIG.
It may be formed continuously in a linear shape, or may be formed in a bowl shape as shown in FIG. 2 (B). Further, the depression 18 may extend not only to the source 12 region but also to the channel region and the drain region 13. Further, a floating gate 15 made of polysilicon is formed on the tunnel oxide film 14. A control gate 17 made of polysilicon is formed on the floating gate 15 via an ONO laminated film 16. Although this embodiment shows a single memory cell structure, this memory cell is generally a part of a NOR type cell array. An example of the cell array structure is shown in FIG.
【0016】以下、このメモリセルの作製工程について
説明する。まず、図4(A)に示すように、シリコン基
板に必要なウエル11を形成した後に、その上にバッフ
ァ酸化膜を形成する。その上にポリシリコン膜およびシ
リコン窒化膜を順次形成する。その後、レジストにより
パターニングを行い、素子分離となる領域のシリコン窒
化膜をエッチングする。次いで、これを酸化してLOC
OS19を形成する。次いで、図4(B)に示すよう
に、バッファ酸化膜をエッチングにより除去した後、窪
み18を形成する領域以外の領域にレジスト20をパタ
ーニングすることにより残置させる。次いで、これに等
方性エッチングを施すことにより、図4(C)に示すよ
うに窪み18を形成する。次いで、レジスト20を除去
した後に、トンネル酸化を行ってトンネル酸化膜14を
形成し、図4(D)に示すように、その上にポリシリコ
ン膜を形成して浮遊ゲート15を形成する。その後、浮
遊ゲート15上にONO積層膜からなる絶縁膜および制
御ゲートを形成する。The manufacturing process of this memory cell will be described below. First, as shown in FIG. 4A, after forming a necessary well 11 in a silicon substrate, a buffer oxide film is formed thereon. A polysilicon film and a silicon nitride film are sequentially formed thereon. After that, patterning is performed with a resist, and the silicon nitride film in the region for element isolation is etched. Then oxidize this to LOC
The OS 19 is formed. Next, as shown in FIG. 4B, after removing the buffer oxide film by etching, the resist 20 is patterned and left in a region other than the region where the depression 18 is formed. Next, isotropic etching is applied to this to form a recess 18 as shown in FIG. Then, after removing the resist 20, tunnel oxidation is performed to form a tunnel oxide film 14, and a polysilicon film is formed thereon to form a floating gate 15 as shown in FIG. After that, an insulating film made of an ONO laminated film and a control gate are formed on the floating gate 15.
【0017】次に、このメモリセルの情報の書き込み/
消去の方法について説明する。まず、情報の書き込みに
おいては、ホットキャリア注入によって電子を浮遊ゲー
ト15へ注入する。このときのバイアス条件は、例えば
制御ゲート17に12V、ソース12に0V、ドレイン
13に5Vである。ソース12から放出された電子は、
チャネル部で加速され、ドレイン13付近の一番電界が
強いところで浮遊ゲート15へ注入される。この場合
は、トンネル酸化膜14の形状は書き込みの際に印加す
る電圧や速度を変える働きは持たない。すなわち、平坦
なトンネル酸化膜ト同等の特性となる。Next, writing / writing of information in this memory cell
The erasing method will be described. First, in writing information, electrons are injected into the floating gate 15 by hot carrier injection. The bias conditions at this time are, for example, 12V for the control gate 17, 0V for the source 12, and 5V for the drain 13. The electrons emitted from the source 12 are
It is accelerated in the channel portion and injected into the floating gate 15 at the strongest electric field near the drain 13. In this case, the shape of the tunnel oxide film 14 does not have a function of changing the voltage or speed applied during writing. That is, the characteristics are equivalent to those of a flat tunnel oxide film.
【0018】情報の消去においては、FNトンネル電流
によって電子を浮遊ゲート15からシリコン基板へ注入
する。このときのバイアス条件は、例えば制御ゲート1
7に−12V、ソース12に5V、ドレイン13に0V
である。この場合、ソース12のトンネル酸化膜14が
シリコン基板に向かって凸状になっていると、この部分
の電界分布は一様ではなくなる。このときのトンネル酸
化膜14内の電界分布とそれに対応するエネルギーバン
ド図をそれぞれ図5(A)および図5(B)に示す。ま
た、比較として、トンネル酸化膜14の形状が一様に平
坦である場合の電界分布とそれに対応するバンド図をそ
れぞれ図6(A)および図6(B)に示す。In erasing information, electrons are injected from the floating gate 15 into the silicon substrate by the FN tunnel current. The bias condition at this time is, for example, the control gate 1
7 to -12V, source 12 to 5V, drain 13 to 0V
Is. In this case, if the tunnel oxide film 14 of the source 12 is convex toward the silicon substrate, the electric field distribution in this portion will not be uniform. Electric field distributions in the tunnel oxide film 14 at this time and corresponding energy band diagrams are shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), respectively. For comparison, the electric field distribution and the corresponding band diagram when the shape of the tunnel oxide film 14 is uniformly flat are shown in FIGS. 6A and 6B, respectively.
【0019】図6から分かるように、一様に平坦である
トンネル酸化膜では、浮遊ゲート15´側とシリコン基
板側での電界の強さは同じであり、その値は印加電圧を
トンネル酸化膜14´の膜厚で割った値Ea.v に等し
い。これに対して、本実施例におけるトンネル酸化膜1
4では、浮遊ゲート15側の電気力線の密度が大きいた
め、浮遊ゲート15側の電界がシリコン基板側の電界よ
り強くなり、図5(A)に示すようにバンドが曲がり鋭
角部14aが現れる。この部分の電界の強さはEaverag
e (以下、Ea.v と省略する)より大きくなる。このよ
うに、トンネル酸化膜14の両側に同じ電圧を印加して
も、見掛け上の電界は図5に示す本実施例のようなトン
ネル酸化膜のほうが大きくなり、結果として大きなFN
トンネル電流が流れることになる。すなわち、同じ値の
FNトンネル電流をトンネル酸化膜に通過させる場合、
本実施例のような曲面を持つ窪み18を有するトンネル
酸化膜を用いることにより、情報消去の際の電圧を低く
することができる。 (実施例2)図7は本発明の不揮発性半導体装置の第2
の実施例を示す断面図である。実施例1では、メモリセ
ルのソース領域に窪み18を形成している。実施例1
は、情報の消去の際に電子をソースに抜いており、この
領域における浮遊ゲート側の電界を強める必要があるか
らである。これに対して、情報の消去の際に電子をシリ
コン基板に抜く場合は、チャネルとなる領域で電界集中
をさせるのが効果的になる。本実施例では、窪み21を
チャネル領域に形成している。この窪み21は、図8
(A)に示すように、線状に連続して形成されていても
よく、図8(B)に示すように、お椀状に形成されてい
てもよい。なお、本実施例では、単体のメモリセル構造
を示しているが、一般にこのメモリセルはNOR型のセ
ルアレイを構成する一部である。また、このメモリセル
を作製する方法は、基本的には実施例1とほとんど同様
であり、窪み21を形成する際のレジストパターンだけ
が異なる。As can be seen from FIG. 6, in the uniformly flat tunnel oxide film, the strengths of the electric fields on the floating gate 15 'side and the silicon substrate side are the same, and the value of the electric field strength depends on the applied voltage. It is equal to the value Ea.v divided by the film thickness of 14 '. On the other hand, the tunnel oxide film 1 in the present embodiment
In Example 4, since the electric field lines on the floating gate 15 side have a high density, the electric field on the floating gate 15 side becomes stronger than the electric field on the silicon substrate side, and the band bends and an acute angle portion 14a appears as shown in FIG. 5 (A). . The strength of the electric field in this part is Eaverag
It becomes larger than e (hereinafter abbreviated as Ea.v). Thus, even if the same voltage is applied to both sides of the tunnel oxide film 14, the apparent electric field becomes larger in the tunnel oxide film as in this embodiment shown in FIG. 5, resulting in a large FN.
Tunnel current will flow. That is, when passing the same value of FN tunnel current through the tunnel oxide film,
By using the tunnel oxide film having the depression 18 having the curved surface as in this embodiment, the voltage for erasing information can be lowered. (Embodiment 2) FIG. 7 shows a nonvolatile semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the Example of. In the first embodiment, the depression 18 is formed in the source region of the memory cell. Example 1
The reason is that electrons are extracted to the source when erasing information, and the electric field on the floating gate side in this region needs to be strengthened. On the other hand, when electrons are extracted into the silicon substrate when erasing information, it is effective to concentrate the electric field in the region that will be the channel. In this embodiment, the depression 21 is formed in the channel region. This recess 21 is shown in FIG.
As shown in (A), it may be continuously formed in a linear shape, or as shown in FIG. 8 (B), it may be formed in a bowl shape. Although the present embodiment shows a single memory cell structure, this memory cell is generally a part of a NOR type cell array. The method of manufacturing this memory cell is basically the same as that of the first embodiment, and is different only in the resist pattern when forming the depression 21.
【0020】次に、このメモリセルの情報の書込み/消
去の方法について説明する。まず、情報の書き込みにお
いては、ホットキャリア注入によって電子を浮遊ゲート
15へ注入する。このときのバイアス条件は、例えば制
御ゲート17に12V、ソース12に0V、ドレイン1
3に5Vである。ソース12から放出された電子は、チ
ャネル部で加速され、ドレイン13付近の一番電界が強
いところで浮遊ゲート15へ注入される。この場合は、
平坦なトンネル酸化膜とほぼ同等の特性となる。Next, a method of writing / erasing information in this memory cell will be described. First, in writing information, electrons are injected into the floating gate 15 by hot carrier injection. The bias conditions at this time are, for example, 12 V for the control gate 17, 0 V for the source 12, and the drain 1
3 to 5V. The electrons emitted from the source 12 are accelerated in the channel portion and injected into the floating gate 15 at the strongest electric field near the drain 13. in this case,
It has almost the same characteristics as a flat tunnel oxide film.
【0021】情報の消去においては、FNトンネル電流
によって電子を浮遊ゲート15からシリコン基板へ注入
する。このときのバイアス条件は、例えば制御ゲート1
7に0V、ソース12およびドレイン13はフローティ
ング、ウエル11に−20Vである。この場合、浮遊ゲ
ート15内の電子は、電界の最も強いところでFNトン
ネリングし、ウエル11内に注入される。このときの電
界分布の様子を図9に示す。この場合においても、平坦
なトンネル酸化膜の場合に比べて低電圧側からFNトン
ネル電流が流れ始め、結果として情報消去の際の印加電
圧を下げることができる。 (実施例3)実施例1および2においては、情報の書き
込みにホットエレクトロンを用い、情報の消去にFNト
ンネル電流を用いるNOR型の不揮発性半導体装置につ
いて説明したが、本実施例は情報の書き込みおよび消去
ともにFNトンネル電流を用いるNAND型の不揮発性
半導体装置について説明する。この場合においても、凹
凸形状を有するトンネル酸化膜の電界集中効果を利用す
ることにより、情報の書き込み/消去の際の電圧を低下
させることができる。In erasing information, electrons are injected from the floating gate 15 into the silicon substrate by the FN tunnel current. The bias condition at this time is, for example, the control gate 1
7 is 0V, source 12 and drain 13 are floating, and well 11 is -20V. In this case, the electrons in the floating gate 15 are FN tunneled at the strongest electric field and injected into the well 11. The state of the electric field distribution at this time is shown in FIG. Also in this case, compared with the case of a flat tunnel oxide film, the FN tunnel current starts to flow from the low voltage side, and as a result, the applied voltage at the time of erasing information can be lowered. (Embodiment 3) In Embodiments 1 and 2, a NOR type non-volatile semiconductor device in which hot electrons are used for writing information and an FN tunnel current is used for erasing information has been described, but this embodiment writes information. A NAND type non-volatile semiconductor device that uses an FN tunnel current for both erasing and erasing will be described. Also in this case, the voltage at the time of writing / erasing information can be lowered by utilizing the electric field concentration effect of the tunnel oxide film having the uneven shape.
【0022】図10は本発明の不揮発性半導体装置の第
3の実施例を示す断面図であり、図11はその平面図で
ある。それぞれのメモリセルは、p形ウエル31上に素
子分離となるトレンチ32(Shallow Trench Isolatio
n)が形成されており、ビット線方向に平行な方向にス
トライプ上にSDG領域33が形成されている。また、
ソース、ドレインも形成されている。トレンチ32内に
は、STI(Shallow Trench Isolation)等の埋め込み
材34が充填されており、素子分離の領域としての役割
を果たしている。この埋め込み材34は、SDG領域3
3の高さより少し低い位置まで充填されており、これに
よりSDG領域33に角部35が形成される。この上に
トンネル酸化膜36が上記凹凸形状に追従するようにし
て形成されている。このトンネル酸化膜36上に、ポリ
シリコンからなる浮遊ゲート37が形成されている。こ
の浮遊ゲート37上には、ONO積層膜38を介してポ
リシリコンからなる制御ゲート39が形成されている。
本実施例では、単体のメモリセル構造を示しているが、
一般にこのメモリセルはNAND型のセルアレイを構成
する一部である。そのセルアレイ構造の一例を図12に
示す。FIG. 10 is a sectional view showing a third embodiment of the non-volatile semiconductor device of the present invention, and FIG. 11 is a plan view thereof. Each memory cell has a trench 32 (Shallow Trench Isolation) on the p-type well 31 for element isolation.
n) are formed, and SDG regions 33 are formed on the stripes in the direction parallel to the bit line direction. Also,
The source and drain are also formed. A filling material 34 such as STI (Shallow Trench Isolation) is filled in the trench 32, and plays a role as a region for element isolation. This embedding material 34 is used in the SDG area 3
It is filled up to a position slightly lower than the height of 3, so that a corner portion 35 is formed in the SDG region 33. A tunnel oxide film 36 is formed thereon so as to follow the uneven shape. A floating gate 37 made of polysilicon is formed on the tunnel oxide film 36. A control gate 39 made of polysilicon is formed on the floating gate 37 via an ONO laminated film 38.
In this embodiment, a single memory cell structure is shown.
Generally, this memory cell is a part of a NAND type cell array. An example of the cell array structure is shown in FIG.
【0023】以下、このメモリセルの作製工程について
説明する。まず、図13(A)に示すように、シリコン
基板に必要なウエル31を形成した後、その上にバッフ
ァ酸化膜41を形成する。その上にポリシリコン膜42
およびCVD酸化膜43を順次形成する。次いで、図1
3(B)に示すように、レジスト44によりパターニン
グを行い、素子分離となる領域のCVD酸化膜43、ポ
リシリコン膜42、バッファ酸化膜41、およびシリコ
ン基板までエッチングしてトレンチ32を形成する。次
いで、このトレンチ32内に、埋め込み材34として例
えばLP−TEOSを充填する。次いで、図13(C)
に示すように、CMP法またはエッチバック法により全
面を平坦化し、ゲート上のポリシリコンを除去して素子
分離を完了する。次いで、バッファ酸化膜41を除去し
て、その上にゲート絶縁膜を形成する。すなわち、選択
ゲートの酸化膜を形成した後、トンネル酸化膜となる領
域をレジストを用いてパターニングし、その領域の酸化
膜を除去する。The manufacturing process of this memory cell will be described below. First, as shown in FIG. 13A, after forming a necessary well 31 in a silicon substrate, a buffer oxide film 41 is formed thereon. Polysilicon film 42 is formed thereon
Then, the CVD oxide film 43 is sequentially formed. Then, FIG.
As shown in FIG. 3B, patterning is performed with a resist 44, and the trench 32 is formed by etching the CVD oxide film 43, the polysilicon film 42, the buffer oxide film 41, and the silicon substrate in the regions for element isolation. Then, for example, LP-TEOS is filled in the trench 32 as a filling material 34. Then, FIG. 13 (C)
As shown in, the entire surface is planarized by the CMP method or the etch back method, and the polysilicon on the gate is removed to complete the element isolation. Then, the buffer oxide film 41 is removed and a gate insulating film is formed thereon. That is, after forming the oxide film of the select gate, the region to be the tunnel oxide film is patterned using a resist, and the oxide film in that region is removed.
【0024】このとき、SDG領域33の高さと埋め込
み材34の高さの関係は、図13(D)に示すように、
埋め込み材34の高さがSDG領域33の高さより少し
低くなっており、SDG領域には角部35が形成され
る。この状態でトンネル酸化膜36を所望の厚さに形成
する。その後、トンネル酸化膜上にポリシリコンからな
る浮遊ゲート37、ONO積層膜38、およびポリシリ
コンからなる制御ゲート39を順次形成する。At this time, the relationship between the height of the SDG region 33 and the height of the embedding material 34 is as shown in FIG.
The height of the filling material 34 is slightly lower than the height of the SDG region 33, and a corner portion 35 is formed in the SDG region. In this state, the tunnel oxide film 36 is formed to have a desired thickness. Then, a floating gate 37 made of polysilicon, an ONO laminated film 38, and a control gate 39 made of polysilicon are sequentially formed on the tunnel oxide film.
【0025】次に、このメモリセルの情報の書き込み/
消去の方法について説明する。このタイプのメモリセル
では、情報の書き込み/消去ともにトンネル酸化膜での
FNトンネル電流によって行う。情報の書き込みの場合
のバイアス条件は、例えば制御ゲートが18V、ソー
ス、ドレイン、および基板は0Vである。このとき、電
子はウエル(シリコン基板)から浮遊ゲート37の中に
注入されるが、SDG領域33の角部35で電界集中が
起こり、シリコン基板側の電界が強められて、結果とし
てSDG領域の平坦部よりも低い電圧で同じ値のFNト
ンネル電流を流すことができる。このときの電気力線の
分布およびバンド図をそれぞれ図14(A)および図1
4(B)に示す。Next, writing / writing of information in this memory cell
The erasing method will be described. In this type of memory cell, both writing and erasing of information are performed by the FN tunnel current in the tunnel oxide film. The bias conditions for writing information are, for example, 18 V for the control gate, 0 V for the source, drain, and the substrate. At this time, electrons are injected into the floating gate 37 from the well (silicon substrate), but electric field concentration occurs at the corners 35 of the SDG region 33, and the electric field on the silicon substrate side is strengthened, and as a result, the SDG region 33 The FN tunnel current of the same value can flow at a voltage lower than that in the flat portion. The distribution and band diagram of the lines of electric force at this time are shown in FIG. 14 (A) and FIG. 1, respectively.
4 (B).
【0026】一方、情報の消去の場合、SDG領域33
の角部35では、平坦なトンネル酸化膜部分の電界の強
さEa.v よりも逆に電界が弱くなる。そのために、情報
の消去の場合には、FNトンネル電流は角部35ではな
くSDG領域33の中央の平坦部分を通過する。On the other hand, in the case of erasing information, the SDG area 33
In the corner portion 35, the electric field is weaker than the electric field strength Ea.v of the flat tunnel oxide film. Therefore, in the case of erasing information, the FN tunnel current does not pass through the corner portion 35 but through the flat portion in the center of the SDG region 33.
【0027】本実施例では、SDG領域33の両側の端
部の角部35で電界を集中させるようになっているが、
図15に示すように、SDG領域33の一方の端部を厚
い酸化膜40で覆い、他方の角部35で電界を集中させ
てもよい。このメモリセルの作製は基本的には本実施例
と同様であるが、SDG領域33の両側の端部における
埋め込み材34の高さを変えるために、レジストパター
ニング工程を増加する必要がある。 (実施例4)実施例3の不揮発性半導体装置は、情報の
書き込みの際の電圧のみを低下できる構成であるが、本
実施例の不揮発性半導体装置は情報の消去の際の電圧を
も低下できる構成である。In the present embodiment, the electric field is concentrated at the corners 35 at both ends of the SDG area 33.
As shown in FIG. 15, one end of the SDG region 33 may be covered with a thick oxide film 40, and the electric field may be concentrated at the other corner 35. The fabrication of this memory cell is basically the same as that of the present embodiment, but it is necessary to increase the resist patterning step in order to change the height of the filling material 34 at the end portions on both sides of the SDG region 33. (Embodiment 4) The non-volatile semiconductor device of the third embodiment has a configuration capable of reducing only the voltage when writing information, but the non-volatile semiconductor device of the present embodiment also lowers the voltage when erasing information. This is a possible configuration.
【0028】図16は本発明の不揮発性半導体装置の第
4の実施例を示す断面図であり、図17はその平面図で
ある。本実施例では単体のメモリセル構造を示している
が、一般にこのメモリセルはNANDのセルアレイを構
成する一部となっている。それぞれのメモリセルは、p
形ウエル51上に素子分離となるトレンチ52(Shallo
w Trench Isolation)が形成されており、ビット線方向
に平行な方向にストライプ上にSDG領域53が形成さ
れている。また、ソース、ドレインも形成されている。
トレンチ52内には、STI等の埋め込み材54が充填
されており、素子分離の領域としての役割を果たしてい
る。この埋め込み材54は、SDG領域53の高さより
少し低い位置まで充填されており、これによりSDG領
域53に角部55が形成される。また、SDG領域53
の中央部には、実施例1のソース12に形成されている
窪み18と同様な窪み56が形成されている。この角部
55および窪み56を覆うようにしてトンネル酸化膜5
7が形成されている。このトンネル酸化膜57上に、ポ
リシリコンからなる浮遊ゲート58が形成されている。
この浮遊ゲート58上には、ONO積層膜59を介して
ポリシリコンからなる制御ゲート60が形成されてい
る。FIG. 16 is a sectional view showing a fourth embodiment of the non-volatile semiconductor device of the present invention, and FIG. 17 is a plan view thereof. Although a single memory cell structure is shown in this embodiment, this memory cell is generally a part of a NAND cell array. Each memory cell is p
A trench 52 (Shallo
w Trench Isolation) is formed, and SDG regions 53 are formed on the stripes in the direction parallel to the bit line direction. Further, a source and a drain are also formed.
A filling material 54 such as STI is filled in the trench 52 and plays a role as an element isolation region. The embedding material 54 is filled up to a position slightly lower than the height of the SDG region 53, whereby a corner portion 55 is formed in the SDG region 53. In addition, the SDG area 53
A depression 56 similar to the depression 18 formed in the source 12 of the first embodiment is formed in the central portion of the. The tunnel oxide film 5 is formed so as to cover the corner portion 55 and the depression 56.
7 are formed. A floating gate 58 made of polysilicon is formed on the tunnel oxide film 57.
A control gate 60 made of polysilicon is formed on the floating gate 58 via an ONO laminated film 59.
【0029】以下に、このメモリセルの作製工程につい
て説明する。まず、図18(A)に示すように、シリコ
ン基板に必要なウエル51を形成した後、その上にバッ
ファ酸化膜61を形成する。その上にポリシリコン膜6
2およびCVD酸化膜63を順次形成する。次いで、図
18(B)に示すように、レジスト64によりパターニ
ングを行い、素子分離となる領域のCVD酸化膜63、
ポリシリコン膜62、バッファ酸化膜61、およびシリ
コン基板までエッチングしてトレンチ52を形成する。
次いで、このトレンチ52内に、埋め込み材54として
例えばLP−TEOSを充填する。次いで、図18
(C)に示すように、CMP法またはエッチバック法に
より全面を平坦化し、ゲート上のポリシリコンを除去し
て素子分離を完了する。次いで、バッファ酸化膜41を
除去し、窪み56を形成する領域以外の領域にレジスト
64を残置させるようにパターニングして、図18
(D)に示すように、等方性エッチングによりSDG領
域53に窪み56を形成する。次いで、この上にゲート
絶縁膜を形成する。すなわち、選択ゲートの酸化膜を形
成した後、トンネル酸化膜となる領域をレジストを用い
てパターニングし、その領域の酸化膜を除去する。The manufacturing process of this memory cell will be described below. First, as shown in FIG. 18A, after forming a necessary well 51 in a silicon substrate, a buffer oxide film 61 is formed thereon. Polysilicon film 6 on it
2 and the CVD oxide film 63 are sequentially formed. Next, as shown in FIG. 18B, patterning is performed with a resist 64 to form a CVD oxide film 63 in a region for element isolation,
A trench 52 is formed by etching the polysilicon film 62, the buffer oxide film 61, and the silicon substrate.
Then, the trench 52 is filled with, for example, LP-TEOS as a filling material 54. Then, FIG.
As shown in (C), the entire surface is planarized by the CMP method or the etchback method, and the polysilicon on the gate is removed to complete the element isolation. Next, the buffer oxide film 41 is removed, and patterning is performed so that the resist 64 is left in a region other than the region where the depression 56 is formed, and FIG.
As shown in (D), a recess 56 is formed in the SDG region 53 by isotropic etching. Next, a gate insulating film is formed on this. That is, after forming the oxide film of the select gate, the region to be the tunnel oxide film is patterned using a resist, and the oxide film in that region is removed.
【0030】このとき、SDG領域53の高さと埋め込
み材54の高さの関係は、図16に示すように、埋め込
み材54の高さがSDG領域53の高さより少し低くな
っており、SDG領域には角部55が形成される。この
状態でトンネル酸化膜57を所望の厚さに形成する。そ
の後、トンネル酸化膜上にポリシリコンからなる浮遊ゲ
ート58、ONO積層膜59、およびポリシリコンから
なる制御ゲート60を順次形成する。At this time, the relationship between the height of the SDG region 53 and the height of the embedding material 54 is that the height of the embedding material 54 is slightly lower than the height of the SDG area 53 as shown in FIG. A corner portion 55 is formed at. In this state, the tunnel oxide film 57 is formed to have a desired thickness. Then, a floating gate 58 made of polysilicon, an ONO laminated film 59, and a control gate 60 made of polysilicon are sequentially formed on the tunnel oxide film.
【0031】次に、このメモリセルの情報の書き込み/
消去の方法について説明する。このタイプのメモリセル
では、情報の書き込み/消去ともにトンネル酸化膜での
FNトンネル電流によって行う。情報の書き込みの場合
のバイアス条件は、例えば制御ゲートが18V、ソー
ス、ドレイン、および基板は0Vである。このとき、電
子はウエル(シリコン基板)から浮遊ゲート58の中へ
注入されるが、SDG領域53の角部55で電界集中が
起こり、シリコン基板側の電界が強められて、結果とし
てSDG領域の中央部よりも低い電圧で同じ値のFNト
ンネル電流を流すことができる。Next, writing / writing of information in this memory cell
The erasing method will be described. In this type of memory cell, both writing and erasing of information are performed by the FN tunnel current in the tunnel oxide film. The bias conditions for writing information are, for example, 18 V for the control gate, 0 V for the source, drain, and the substrate. At this time, electrons are injected from the well (silicon substrate) into the floating gate 58, but electric field concentration occurs at the corner portion 55 of the SDG region 53, and the electric field on the silicon substrate side is strengthened, and as a result, the SDG region 53 The FN tunnel current of the same value can be passed at a voltage lower than that in the central portion.
【0032】一方、情報の消去の場合、SDG領域53
の角部55では、平坦なトンネル酸化膜の電界の強さE
a.v よりも逆に電界が弱くなる。そのために、情報消去
の場合には、FNトンネル電流は角部55ではなくSD
G領域53の中央部、すなわち窪み56を通過する。こ
のとき、電子は浮遊ゲート58からシリコン基板へ注入
されるが、窪み56では電界集中により浮遊ゲート58
側の電界が強められて、結果として平坦なトンネル酸化
膜よりも低い電圧でFNトンネル電流を流すことができ
る。On the other hand, in the case of erasing information, the SDG area 53
At the corner 55, the electric field strength E of the flat tunnel oxide film is
Conversely, the electric field becomes weaker than av. Therefore, in the case of erasing information, the FN tunnel current is SD instead of the corner 55.
It passes through the central portion of the G region 53, that is, the depression 56. At this time, the electrons are injected from the floating gate 58 into the silicon substrate, but in the depression 56, the electric field is concentrated so that the floating gate 58 is filled.
The side electric field is strengthened, and as a result, the FN tunnel current can flow at a voltage lower than that of the flat tunnel oxide film.
【0033】このように、本実施例の不揮発性半導体装
置によれば、情報の書き込み/消去のいずれの場合にも
必要な電圧を低下させることができる。 (実施例5)本実施例では、LOCOS素子分離を用い
たNAND型の不揮発性半導体装置について説明する。As described above, according to the non-volatile semiconductor device of the present embodiment, the required voltage can be lowered in both writing and erasing of information. (Embodiment 5) In this embodiment, a NAND type non-volatile semiconductor device using LOCOS element isolation will be described.
【0034】図19は本発明の不揮発性半導体装置の第
4の実施例を示す断面図であり、図20はその平面図で
ある。なお、図19(A)はワード線方向の断面図であ
り、図19(B)はビット線方向の断面図である。FIG. 19 is a sectional view showing a fourth embodiment of the non-volatile semiconductor device of the present invention, and FIG. 20 is a plan view thereof. Note that FIG. 19A is a cross-sectional view in the word line direction and FIG. 19B is a cross-sectional view in the bit line direction.
【0035】本実施例では単体のメモリセル構造を示し
ているが、一般にこのメモリセルはNANDのセルアレ
イを構成する一部となっている。図中71はp形ウエル
を示す。p形ウエル71には、素子分離領域としてLO
COS72が形成されている。p形ウエル71のチャネ
ル領域には、大きな窪みが形成されており、大きな窪み
には複数の小さな窪み78がほぼ均等な位置に形成され
ている。すなわち、凹凸形状を有する窪みが形成されて
いる。小さな窪み78の大きさは、大きな窪みの5分の
1から10分の1程度である。Although this embodiment shows a single memory cell structure, this memory cell is generally a part of a NAND cell array. In the figure, 71 indicates a p-type well. In the p-type well 71, LO is formed as an element isolation region.
COS 72 is formed. A large depression is formed in the channel region of the p-type well 71, and a plurality of small depressions 78 are formed in the large depression at substantially equal positions. That is, a recess having an uneven shape is formed. The size of the small depression 78 is about one fifth to one tenth of that of the large depression.
【0036】このチャネル領域上には、トンネル酸化膜
73が形成されている。トンネル酸化膜73上には、ポ
リシリコンからなる浮遊ゲート74が形成されている。
この浮遊ゲート74上には、ONO積層膜75を介して
ポリシリコンからなる制御ゲート76が形成されてい
る。A tunnel oxide film 73 is formed on this channel region. A floating gate 74 made of polysilicon is formed on the tunnel oxide film 73.
A control gate 76 made of polysilicon is formed on the floating gate 74 via an ONO laminated film 75.
【0037】以下、このメモリセルの作製工程について
説明する。まず、図21(A)に示すように、シリコン
基板に必要なウエル71を形成した後に、その上にバッ
ファ酸化膜を形成する。その上にポリシリコン膜および
シリコン窒化膜を順次形成する。その後、レジストによ
りパターニングを行い、素子分離となる領域のシリコン
窒化膜をエッチングする。次いで、これを酸化してLO
COS72を形成する。次いで、図21(B)に示すよ
うに、バッファ酸化膜をエッチングにより除去した後、
大きな窪みを形成する領域以外の領域にレジスト79を
パターニングすることにより残置させる。次いで、図2
1(C)に示すように、これに等方性エッチングを施し
て大きな窪みを形成し、さらに、レジストを用いてパタ
ーニングを行い、エッチングを施して複数の小さな窪み
78を形成する。次いで、レジスト79を除去した後
に、トンネル酸化を行ってトンネル酸化膜73を形成
し、図21(D)に示すように、その上にポリシリコン
膜を形成して浮遊ゲート74を形成する。その後、浮遊
ゲート74上にONO積層膜からなる絶縁膜および制御
ゲートを形成する。The manufacturing process of this memory cell will be described below. First, as shown in FIG. 21A, after forming a necessary well 71 in a silicon substrate, a buffer oxide film is formed thereon. A polysilicon film and a silicon nitride film are sequentially formed thereon. After that, patterning is performed with a resist, and the silicon nitride film in the region for element isolation is etched. Then, oxidize this to LO
COS 72 is formed. Next, as shown in FIG. 21B, after removing the buffer oxide film by etching,
The resist 79 is left in the region other than the region where the large depression is formed by patterning. Then, FIG.
As shown in FIG. 1 (C), this is isotropically etched to form a large depression, and patterning is performed using a resist, and etching is performed to form a plurality of small depressions 78. Next, after removing the resist 79, tunnel oxidation is performed to form a tunnel oxide film 73, and as shown in FIG. 21D, a polysilicon film is formed thereon to form a floating gate 74. After that, an insulating film made of an ONO laminated film and a control gate are formed on the floating gate 74.
【0038】次に、このメモリセルの情報の書き込み/
消去の方法について説明する。このタイプのメモリセル
では、情報の書き込み/消去ともにトンネル酸化膜での
FNトンネル電流によって行う。情報の書き込みの場合
のバイアス条件は、例えば制御ゲートが18V、ソー
ス、ドレイン、および基板は0Vである。このとき、電
子はウエル(シリコン基板)から浮遊ゲート74の中へ
注入されるが、このとき電界が集中するのは小さな窪み
78間の小さな突起部分になる。この部分の電界は、膜
厚が同じである平坦なトンネル酸化膜の電界Ea.v より
も大きくなり、FNトンネル電流はこの小さな突起部分
に流れる。Next, writing / writing of information in this memory cell
The erasing method will be described. In this type of memory cell, both writing and erasing of information are performed by the FN tunnel current in the tunnel oxide film. The bias conditions for writing information are, for example, 18 V for the control gate, 0 V for the source, drain, and the substrate. At this time, electrons are injected from the well (silicon substrate) into the floating gate 74, but at this time, the electric field concentrates on the small protrusions between the small depressions 78. The electric field in this portion becomes larger than the electric field Ea.v of the flat tunnel oxide film having the same film thickness, and the FN tunnel current flows in this small protruding portion.
【0039】一方、情報の消去の場合のバイアス条件
は、例えば制御ゲートが0V、基板は20Vとなる。こ
のとき、電子は浮遊ゲートからウエルのほうへ排出され
るが、このとき電界が集中するのは小さな窪み78付近
である。この部分の電界は、膜厚が同じ平坦なトンネル
酸化膜の電界Ea.v より大きくなり、FNトンネル電流
はこの小さな窪み78に流れる。On the other hand, the bias condition for erasing information is, for example, 0V for the control gate and 20V for the substrate. At this time, the electrons are discharged from the floating gate to the well, but at this time, the electric field is concentrated near the small recess 78. The electric field in this portion becomes larger than the electric field Ea.v of the flat tunnel oxide film having the same film thickness, and the FN tunnel current flows into this small recess 78.
【0040】このように、本実施例では、情報の書き込
みの場合も情報の消去の場合も、必要とする電圧を、膜
厚が同じで平坦なトンネル酸化膜の場合に必要な電圧よ
りも低くすることができる。また、その場合の電圧の値
は、大きな窪みの曲率および小さな窪みの配置や数等を
変えることにより調整することができる。As described above, in this embodiment, the required voltage is lower than the voltage required in the case of the flat tunnel oxide film having the same film thickness in both the writing of information and the erasing of information. can do. Further, the voltage value in that case can be adjusted by changing the curvature of the large depressions and the arrangement and number of the small depressions.
【0041】[0041]
【発明の効果】以上説明した如く本発明の不揮発性半導
体装置は、メモリセル領域に対応する半導体基板の少な
くとも一部が凹凸形状を有しているので、情報の書き込
み/消去の際の電圧印加時に凹凸形状に起因して電界の
集中が起こり、これによりトンネル酸化膜の厚さを従来
よりも薄くすることなしに、情報の書き込み/消去の際
に印加するバイアスを低く抑えることができ、情報の書
き込み/消去の速度を速くすることができる。As described above, in the non-volatile semiconductor device of the present invention, at least a part of the semiconductor substrate corresponding to the memory cell region has an uneven shape, so that a voltage is applied at the time of writing / erasing information. At times, the electric field is concentrated due to the uneven shape, which makes it possible to suppress the bias applied when writing / erasing information, without making the thickness of the tunnel oxide film thinner than before. The writing / erasing speed can be increased.
【図1】本発明の不揮発性半導体装置の第1の実施例を
示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a non-volatile semiconductor device of the present invention.
【図2】(A)および(B)は図1に示す不揮発性半導
体装置の平面図。2A and 2B are plan views of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図3】図1に示す不揮発性半導体装置のセルアレイ構
造を示す平面図。FIG. 3 is a plan view showing a cell array structure of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図4】(A)〜(D)は図1に示す不揮発性半導体装
置の作製工程を説明するための断面図。4A to 4D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図5】(A)は図1に示す不揮発性半導体装置のトン
ネル酸化膜内の電界分布を示す図、(B)は(A)に対
応するバンド図。5A is a diagram showing an electric field distribution in a tunnel oxide film of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG. 1, and FIG. 5B is a band diagram corresponding to FIG.
【図6】(A)は従来の不揮発性半導体装置のトンネル
酸化膜内の電界分布を示す図、(B)は(A)に対応す
るバンド図。6A is a diagram showing an electric field distribution in a tunnel oxide film of a conventional nonvolatile semiconductor device, and FIG. 6B is a band diagram corresponding to FIG.
【図7】本発明の不揮発性半導体装置の第2の実施例を
示す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing a second embodiment of the non-volatile semiconductor device of the present invention.
【図8】(A)および(B)は図7に示す不揮発性半導
体装置の平面図。8A and 8B are plan views of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図9】図7に示す不揮発性半導体装置のトンネル酸化
膜内の電界分布を示す図。9 is a diagram showing an electric field distribution in a tunnel oxide film of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図10】本発明の不揮発性半導体装置の第3の実施例
を示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the non-volatile semiconductor device of the present invention.
【図11】図10に示す不揮発性半導体装置を示す平面
図。11 is a plan view showing the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図12】図10に示す不揮発性半導体装置のセルアレ
イ構造を示す平面図。12 is a plan view showing a cell array structure of the non-volatile semiconductor device shown in FIG.
【図13】(A)〜(D)は図10に示す不揮発性半導
体装置の作製工程を説明するための断面図。13A to 13D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図14】(A)は図10に示す不揮発性半導体装置の
トンネル酸化膜内の電界分布を示す図、(B)は(A)
に対応するバンド図。14A is a diagram showing an electric field distribution in a tunnel oxide film of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG. 10, and FIG. 14B is a diagram showing FIG.
Band diagram corresponding to.
【図15】図10に示す不揮発性半導体装置の他の態様
を示す断面図。15 is a cross-sectional view showing another aspect of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図16】本発明の不揮発性半導体装置の第4の実施例
を示す断面図。FIG. 16 is a sectional view showing a nonvolatile semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
【図17】図16に示す不揮発性半導体装置を示す平面
図。FIG. 17 is a plan view showing the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図18】(A)〜(D)は図16に示す不揮発性半導
体装置の作製工程を説明するための断面図。18A to 18D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図19】(A)および(B)は本発明の不揮発性半導
体装置の第4の実施例を示す断面図。19A and 19B are cross-sectional views showing a fourth embodiment of the non-volatile semiconductor device of the present invention.
【図20】図19に示す不揮発性半導体装置を示す平面
図。20 is a plan view showing the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図21】(A)〜(D)は図19に示す不揮発性半導
体装置の作製工程を説明するための断面図。21A to 21D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor device shown in FIG.
【図22】従来の不揮発性半導体装置を示す断面図であ
り、(A)はワード線方向の断面図、(B)はビット線
方向の断面図。22A and 22B are cross-sectional views showing a conventional nonvolatile semiconductor device, where FIG. 22A is a cross-sectional view in the word line direction and FIG. 22B is a cross-sectional view in the bit line direction.
【図23】従来の不揮発性半導体装置を示す断面図であ
り、(A)はワード線方向の断面図、(B)はビット線
方向の断面図。23A and 23B are cross-sectional views showing a conventional nonvolatile semiconductor device, where FIG. 23A is a cross-sectional view in the word line direction and FIG. 23B is a cross-sectional view in the bit line direction.
【図24】(A)および(B)は従来の不揮発性半導体
装置における電気力線の方向を示す図。24A and 24B are diagrams showing directions of lines of electric force in a conventional nonvolatile semiconductor device.
【図25】トンネル酸化膜の膜厚と読み出し保持特性と
の関係を示すグラフ。FIG. 25 is a graph showing the relationship between the film thickness of the tunnel oxide film and the read retention characteristics.
11,31,51,71…p形ウエル、12…ソース、
13…ドレイン、14,36,57,73…トンネル酸
化膜、15,37,58,74…浮遊ゲート、16,3
8,59,75…ONO積層膜、17,39,60,7
6…制御ゲート、18,21,56…窪み、19,72
…LOCOS、20,44,64,79…レジスト、3
2,52…トレンチ、33,53…SDG領域、34,
54…埋め込み材、35,55…角部、40…厚い酸化
膜、41,61…バッファ酸化膜、42,62…ポリシ
リコン膜、43,63…CVD酸化膜、78…小さな窪
み。11, 31, 51, 71 ... P-type well, 12 ... Source,
13 ... Drain, 14, 36, 57, 73 ... Tunnel oxide film, 15, 37, 58, 74 ... Floating gate, 16, 3
8, 59, 75 ... ONO laminated film, 17, 39, 60, 7
6 ... Control gate, 18, 21, 56 ... Dimple, 19, 72
... LOCOS, 20, 44, 64, 79 ... Resist, 3
2, 52 ... Trench, 33, 53 ... SDG region, 34,
54 ... Buried material, 35, 55 ... Corners, 40 ... Thick oxide film, 41, 61 ... Buffer oxide film, 42, 62 ... Polysilicon film, 43, 63 ... CVD oxide film, 78 ... Small depression.
───────────────────────────────────────────────────── 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 技術表示箇所 H01L 27/115 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 27/115
Claims (2)
されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され
た浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に絶縁膜を介して形
成された制御ゲートとにより構成されており、電気的に
情報の書き換えが可能であるメモリセルを複数配列して
なるセルアレイを具備し、前記メモリセル領域に対応す
る前記半導体基板の少なくとも一部が凹凸形状を有して
いることを特徴とする不揮発性半導体装置。1. A semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a floating gate formed on the gate insulating film, and a control gate formed on the floating gate via an insulating film. And a memory cell array in which a plurality of electrically rewritable memory cells are arranged, and at least a part of the semiconductor substrate corresponding to the memory cell region has an uneven shape. A non-volatile semiconductor device characterized in that.
されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され
た浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に絶縁膜を介して形
成された制御ゲートとにより構成されており、電気的に
情報の書き換えが可能であるメモリセルを複数配列して
なるセルアレイを具備し、情報の書き込みおよび消去の
際に印加するバイアス方向に応じて、前記ゲート絶縁膜
を通過するトンネル電流の方向が双方向に変化し、前記
メモリセル領域に対応する前記半導体基板の少なくとも
一部が凹凸形状を有し、前記トンネル電流は電界が集中
する前記半導体基板の領域を通過することを特徴とする
不揮発性半導体装置。2. A semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a floating gate formed on the gate insulating film, and a control gate formed on the floating gate via an insulating film. And a gate array film comprising: a cell array in which a plurality of electrically rewritable memory cells are arrayed, the gate insulating film depending on a bias direction applied when writing and erasing information. Direction of the tunnel current passing through the semiconductor substrate changes bidirectionally, at least a part of the semiconductor substrate corresponding to the memory cell region has an uneven shape, and the tunnel current passes through a region of the semiconductor substrate where an electric field is concentrated. A non-volatile semiconductor device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6207181A JPH0878542A (en) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | Nonvolatile semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6207181A JPH0878542A (en) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | Nonvolatile semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0878542A true JPH0878542A (en) | 1996-03-22 |
Family
ID=16535593
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6207181A Pending JPH0878542A (en) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | Nonvolatile semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0878542A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5889304A (en) * | 1996-06-28 | 1999-03-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nonvolatile semiconductor memory device |
JP2002313962A (en) * | 2001-04-11 | 2002-10-25 | Mitsubishi Electric Corp | Nonvolatile semiconductor storage device |
JP2006287185A (en) * | 2005-04-01 | 2006-10-19 | Hynix Semiconductor Inc | Manufacturing method of semiconductor element |
JP2008288588A (en) * | 2007-05-17 | 2008-11-27 | Samsung Electronics Co Ltd | Flash memory device, its manufacturing method and operating method |
-
1994
- 1994-08-31 JP JP6207181A patent/JPH0878542A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5889304A (en) * | 1996-06-28 | 1999-03-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nonvolatile semiconductor memory device |
JP2002313962A (en) * | 2001-04-11 | 2002-10-25 | Mitsubishi Electric Corp | Nonvolatile semiconductor storage device |
JP2006287185A (en) * | 2005-04-01 | 2006-10-19 | Hynix Semiconductor Inc | Manufacturing method of semiconductor element |
JP2008288588A (en) * | 2007-05-17 | 2008-11-27 | Samsung Electronics Co Ltd | Flash memory device, its manufacturing method and operating method |
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