JPH09120998A - フラッシュeepromセル、その製造方法、プログラム方法及び読出方法 - Google Patents

フラッシュeepromセル、その製造方法、プログラム方法及び読出方法

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JPH09120998A JP8118037A JP11803796A JPH09120998A JP H09120998 A JPH09120998 A JP H09120998A JP 8118037 A JP8118037 A JP 8118037A JP 11803796 A JP11803796 A JP 11803796A JP H09120998 A JPH09120998 A JP H09120998A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】4進情報をプログラム及び読出することができ
るメモリセルを提供するとに目的がある。 【解決手段】チャネル(channel)領域の上部
に、2個のフローテイングゲート(floating
gate)を形成し、この2個のフローテイングゲート
それぞれのプログラム及び消去如何により、4進情報の
出力を得ることができるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フラッシュEEP
ROM(flash EEPROM)セル、その製造方
法、プログラム及び読出方法に関わり、特にチャネル
(channel)領域の上部に2個のフローティング
ゲート(floating gate)を形成し、この
2個のフロテイングゲート各々のプログラム及び消去の
如何に従い、4進情報の出力を得られるようにしたフラ
ッシュEEPROMセル、その製造方法、プログラム
(書込)及び読出方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般的に、電気的プログラム(prog
ram)及び消去(erase)が可能な機能を合わせ
持つ、フラシュEEPROM(Electricall
y Erasable Programable Re
ad Only Memory;EEPROM)素子
は、その固有の長所により需要が次第に増大する実情で
ある。このようなフラッシュEEPROM素子は、一個
のセルに2進情報、即ち、”0”又は”1”だけをプロ
グラム或いは読出するので一バイト(byte;8個の
セル)で表示が可能な情報量は256(=28 )個であ
る。更に、一個のセルが4進情報、即ち、”0”、”
1”、”2”及び”3”を持つとすれば、一バイトの情
報量は65536(=48 )個になるので、2進セルが
持つ情報量より256倍多くの情報量を持つことができ
る。即ち、一ギガ(giga)以上の容量を持つメモリ
素子の具現が可能となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、チ
ャネル領域の上部に、2個のフローティングゲートを形
成し、その2個のフローティングゲート各々のプログラ
ム及び消去の如何に従い、4進情報の記憶及び出力を得
ることができるようにするフラッシュEEPROM素子
を具現することにより、上記の短所を解消することがで
きるフラッシュEEPROMセル、その製造方法、プロ
グラム及び読出方法を提供することにその目的がある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるフラッシュEEPROMセルは、水平
に隣接し、トンネル酸化膜により下部のシリコン基板と
電気的に分離される第1及び第2フローティングゲート
と、上記第1及び第2フローティングゲートを含む上部
面に形成される、誘電体膜と、上記誘電体膜の上部に形
成され、上記誘電体膜により上記第1及び第2フローテ
ィングゲートと電気的に分離されるコントロールゲート
と、上記シリコン基板に形成され、上記第1及び第2フ
ローティングゲート各々の外側部と一部重なり形成され
るソース及びドレーンとからなることを特徴とする。
【0005】上記フラッシュEEPROMセルの第1実
施例の製造方法は、シリコン基板上にトンネル酸化膜及
び第1ポリシリコン層を順次に形成する段階と、上記段
階から、上記第1ポリシリコン層をパターニングして第
1及び第2フローティングゲートを各々形成する段階
と、上記段階から、上記第1及び第2フローティングゲ
ート間のシリコン基板を除外した全体領域に、不純物イ
オンを注入してソース及びドレーンを形成する段階と、
上記段階から、全体上部面に誘電体膜及び第2ポリシリ
コン層を順次に形成する段階と、上記段階から、上記第
2ポリシリコン層及び誘電体膜を順次にパターニングし
て、コントロールゲートを形成する段階でなることを特
徴とする。
【0006】第2実施例の製造方法は、シリコン基板上
にトンネル酸化膜及び第1ポリシリコン層を順次に形成
する段階と、上記段階から、第1フローティングゲート
及び第2フローティングゲートの間に上記第1ポリシリ
コン層をパターニングする段階と、上記段階から、上部
面全体に誘電体膜及び第2ポリシリコン層を順次に形成
する段階と、上記段階から、コントロールゲート電極用
マスクを利用した写真及びエッチング工程により、上記
第2ポリシリコン層、上記誘電体膜、及び上記第1及び
第2フローティングゲートを順次にパターニングする段
階と、上記段階から、シリコン基板に不純物イオンを注
入してソース及びドレーンを形成する段階とからなるこ
とを特徴とする。
【0007】本発明による、フラッシュEEPROMセ
ルのプログラム方法は、第1及び第2フローティングゲ
ートに、ホットエレクトロンが注入されるように、コン
トロールゲート、ソース及びドレーンにバイアス電圧を
印加した後、上記コントロールゲート、ソース及びドレ
ーンに印加されるバイアス電圧の条件に従い、上記第1
及び第2フローティングゲートに注入されるホットエレ
クトロンを選択的に消去して4進情報がプログラムされ
るようにすることを特徴とする。
【0008】上記フラッシュEEPROMセルの読出方
法は、第1及び第2フローティングゲートに、選択的に
注入されるホットエレクトロンにより、プログラムされ
た4進情報を読出するため、順方向読出及び逆方向読出
を各々実施した後、ドレーン及びソース電流の有無によ
り貯蔵された情報が読出されることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、添付された図面を参照して
本発明を詳細に説明する。
【0010】図1A乃至図1Eは、本発明による、フラ
ッシュEEPROMセルの第1実施例の製造方法を説明
するための素子の断面図である。
【0011】図1Aは、シリコン基板(1)上にトンネ
ル酸化膜(tunnel oxide;2)を80乃至
120Åの厚さに成長させた後、第1ポリシリコン層
(3)を形成した状態の断面図である。
【0012】図1Bは、フローティングゲート電極用マ
スク(図示されていない)を利用した、写真及びエッチ
ング工程により上記第1ポリシリコン層(3)をパター
ニングして、水平に隣接する第1及び第2フローティン
グゲート(3A及び3B)を各々形成した状態の断面図
である。
【0013】図1Cは、全体面に感光膜(4)を塗布し
た後、上記第1及び第2フローティングゲート(3A及
び3B)の上部及び間にだけ感光膜(4)が残留される
ようにパターニングし、露出されたシリコン基板(1)
に不純物イオンを注入して、ソース及びドレーン(5乃
至6)を形成した状態の断面図である。
【0014】図1Dは、全体上部面に、誘電体膜(7)
及び第2ポリシリコン層(8)を順次に形成した状態の
断面図であり、又、誘電体膜(7)は酸化膜−窒化膜−
酸化膜の順に形成されたONO構造である。
【0015】図1Eは、コントロールゲート電極用マス
ク(図示されていない)を利用した写真及びエッチング
工程により、上記第2ポリシリコン層(8)及び誘電体
膜(7)を順次にエッチングして上記第1及び第2フロ
ーティングゲート(3A及び3B)上部に誘電体膜
(7)及びコントロールゲート(8A)が積層されたE
EPROMセルを形成した状態の断面図である。
【0016】図2A乃至図2Dは、本発明によるフラッ
シュEEPROMセルの第2実施例の製造方法を説明す
るための素子の断面図である。
【0017】図2Aは、シリコン基板(1)上にトンネ
ル酸化膜(2)を80乃至120Åの厚さに成長させた
後、第1ポリシリコン層(3)を形成した状態の断面図
である。
【0018】図2Bは、写真及びエッチング工程によ
り、第1及び第2フローティングゲート(3A及び3
B)の間の上記第1ポリシリコン層(3)をパターニン
グした状態の断面図である。
【0019】図2Cは、全体上部面に誘電体膜(7)及
び第2ポリシリコン層(8)を順次に形成した状態の断
面図であり、又、上記誘電体膜(7)は酸化膜−窒化膜
−酸化膜の順に形成されたONO構造である。
【0020】図2Dは、コントロールゲート電極用マス
ク(図示されていない)を利用した写真及びエッチング
工程により、上記第2ポリシリコン層(8)、誘電体膜
(7)と上記第1及び第2フローティングゲート(3A
及び3B)を順次にエッチングし、シリコン基板(1)
に不純物イオンを注入してソース及びドレーン(5及び
6)を形成することにより、上記第1及び第2フローテ
ィングゲート(3A及び3B)上部に誘電体膜(7)及
びコントロールゲート(8A)が積層されたEEPRO
Mセルを形成した状態の断面図である。
【0021】上記の如く、トンネリング(tunnel
ing)が可能になるように薄く形成されたトンネル酸
化膜(2)上に、2個のフローティングゲート(3A及
び3B)が水平に隣接されるように形成し、この2個の
フローティングゲート)3A乃至3B)各々の外側部と
充分に重なるように、シリコン基板(1)上にソース及
びドレーン(5及び6)を形成することにより、トンネ
リング時に必要な面積を効果的に確保して、短い有効チ
ャネルの長さ(effective channel
length)による読出の時、電流の流れが容易にな
る。
【0022】次に、かような技術的原理を利用して、4
進情報(”0”、”1”、”2”及び”3”)をプログ
ラム及び読出しするため、上記の如く製造したフラッシ
ュEEPROMセルの動作を説明することにする。
【0023】図3A乃至図3Dは、本発明によるフラッ
シュEEPROMセルのプログラム動作を説明するため
の動作状態図であり、図4A乃至図4Dを参照して下記
の如く説明する。
【0024】先ず、セルに”0”と言う情報をプログラ
ム即ち、すべてのフローティングゲートに電荷を貯蔵
(charge)するためには、図3Aの如く、コント
ロールゲート(8A)に12Vの高電圧を印加し、ドレ
ーン(6)に5V、ソース(5)には接地電位をそれぞ
れ印加する。上記コントロールゲート(8A)に印加さ
れた高い電位により、第1及び第2フローティングゲー
ト(3A及び3B)下部のシリコン基板(1)にはチャ
ネルが形成され、上記ドレーン(6)に印加された電圧
により、上記第1及び第2フローティングゲート(3A
及び3B)間のシリコン基板(1)には高電界領域が形
成される。このとき、電流が上記の高電界領域を通過す
るとホットエレクトロン(hot electron;
9)が発生され、このホットエレクトロン(9)の一部
が上記コントロールゲート(8A)に印加された高電位
により形成される垂直方向の電界により、上記第1及び
第2フローティングゲート(3A及び3B)に注入(i
njection)される。従って、このようなホット
エレクトロンの注入により上記ドレーン及びソース(6
及び5)側の限界電圧(threshold volt
age)はそれぞれ、例を挙げると、6V程度に上昇す
るため図4Aと同様に”0”という情報がプログラムさ
れた状態になる。
【0025】セルに”1”という情報をプログラムする
ためには、上記図4Aの状態で図3Bと同様に、コント
ロールゲート(8A)に接地電位、ドレーン(6)に1
2Vをそれぞれ印加し、ソース(5)をフロート(fl
oat)させると、第2フローティングゲート(3B)
内に貯蔵されたエレクトロン(9)がトンネリングによ
り、上記ドレーン(6)を通じて放電(dischar
ge)されることにより、ドレーン(6)側の限界電圧
が、例えば、2V程度に低くなるので、図4Bの如く”
1”という情報がプログラムされた状態になる。
【0026】セルに”2”という情報をプログラムする
ためには、上記図4Aの状態で図3Cと同様に、コント
ロールゲート(8A)に接地電位、ソース(5)に12
Vをそれぞれ印加し、ドレーン(6)をフロートさせる
と、第1フローティングゲート(3A)内に貯蔵された
エレクトロン(9)がトンネリングにより上記ソース
(5)を通じて放電されることにより、ソース(5)側
の限界電圧が、例えば、2V程度に低くなるので、図4
Cの如く”2”という情報がプログラムされた状態にな
る。
【0027】セルに”3”という情報をプログラムする
ためには、上記図4Aの状態で図3Dと同様に、コント
ロールゲート(8A)に接地電位を、ソース及びドレー
ン(5及び6)にそれぞれ12Vを印加すると、第1及
び第2フローティングゲート(3A及び3B)内に貯蔵
されたエレクトロン(9)がトンネリングにより上記ソ
ース及びドレーン(5及び6)を通じて放電されること
により、ソース及びドレーン側の限界電圧が、例えば、
2V程度に低くなるので、図4Dの如く”3”という情
報がプログラムされた状態になる。
【0028】このように、コントロールゲート(8
A)、ソース及びドレーン(5及び6)に印加するバイ
アス電圧(bias voltage)の条件を変更し
て4進情報を一個のセルにプログラムすることが出来る
が、一つの情報をプログラムするときは2個のフローテ
ィングゲート相互の作用を防止するため、先ず情報”
0”をプログラムし、次に情報”1”、”2”又は”
3”をプログラムしなければならない。
【0029】次に、上記の如くセルにプログラムされた
4進情報を判読するための読出(read)動作を、図
5A及び図5Bを参照して説明する。
【0030】上記の如く、4進情報が一つのセルにプロ
グラムされるので、これを読出するためには基本的に2
回の読出動作を、即ち、順方向読出(forward
read)及び逆方向読出(reverse rea
d)を、それぞれ実施することになる。ここでは、上記
図4Cと同様に情報”2”がプログラムされた状態での
読出動作を、例を挙げて、説明することにする。
【0031】上記図4Cの如く、第2フローティングゲ
ート(3B)にだけエレクトロン(9)が貯蔵された状
態で、順方向読出を実施しようとする場合は、図5Aの
如く、コントロールゲート(8A)に4V、ドレーン
(6)に3V及びソース(5)には接地電位をそれぞれ
印加する。これにより、エレクトロン(9)が注入され
るソース(5)側の第1フローティングゲート(3A)
下部のシリコン基板(1)上にチャネルが形成されるた
めドレーン電流(ID )が存在する。
【0032】尚、上記図4Cと同様に、第2フローティ
ングゲート(3B)にだけエレクトロン(9)が貯蔵さ
れた状態で、逆方向読出を実施しようとする場合は、図
5Bの如くコントロールゲート(8A)に4V、ソース
(5)に3V、及びドレーンにには接地電位をそれぞれ
印加する。これにより、エレクトロン(9)が注入され
るドレーン(6)側の第2フローティングゲート(3
B)下部のシリコン基板(1)にチャネルが形成されな
いためソース電流(IS )は存在しなくなる。
【0033】このような方法により、2回の読出動作を
実施した後、上記ドレーン及びソース電流(ID 及びI
S )の有無に従い貯蔵された情報が読み出されるが、参
考に上記情報”0”、”1”、”2”及び”3”の読出
時のドレーン及びソース電流のフロー状態を下記の<表
>に表した。
【0034】
【表1】
【0035】
【発明の効果】上述した如く、本発明によれば、チャネ
ル領域の上部に、2個のフローティングゲートを形成す
ることにより、この2個のフローティングゲートそれぞ
れのプログラム及び消去如何により、4進情報をプログ
ラムすることができ、且つ、正確に読出するのが可能な
ため大容量を持つフラッシュイイプロムセルを具現する
のに利用されることができる。更に、フローティングゲ
ートに情報が貯蔵されるため永久的に情報を貯蔵するこ
とができる卓越した効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるフラッシュイイプロムセルの第1
実施例の製造方法を説明するための素子の断面図であ
る。
【図2】本発明によるフラッシュイイプロムセルの第2
実施例の製造方法を説明するための素子の断面図であ
る。
【図3】本発明によるフラッシュイイプロムセルのプロ
グラム動作を説明するための動作状態図である。
【図4】図3を説明するための概念図である。
【図5】本発明によるフラッシュイイプロムセルの読出
動作を説明するための動作状態図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 トンネ
ル酸化膜 3 第1ポリシリコン層 3A及び3B 第1及び第2フローティングゲート 4 感光膜 5及び6 ソー
ス及びドレーン 7 誘電体膜 8 第2ポ
リシリコン層 8A コントロールゲート 9 ホット
エレクトロン

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】フラッシュEEPROMセルにおいて、 互いに水平隣接し、トンネル酸化膜により下部のシリコ
    ン基板と電気的に分離される第1及び第2フローティン
    グゲートと、 上記第1及び第2フローティングゲートを含む上部面に
    形成される誘電体膜と、 上記誘電体膜上部に形成され、上記誘電体膜により、上
    記第1及び第2フローティングゲートと電気的に分離さ
    れるコントロールゲートと、 上記シリコン基板に形成され、上記第1及び第2フロー
    ティングゲート各々の外側部と一部重なるように形成さ
    れるソース及びドレーンとからなることを特徴とするフ
    ラッシュEEPROMセル。
  2. 【請求項2】第1項において、 上記誘電体膜は、酸化膜−窒化膜−酸化膜でなることを
    特徴とするフラッシュEEPROMセル。
  3. 【請求項3】フラッシュEEPROMセル製造方法にお
    いて、 シリコン基板上に、トンネル酸化膜及び第1ポリシリコ
    ン層を順次に形成する段階と、 上記段階から、上記第1ポリシリコン層をパターニング
    して第1及び第2フローティングゲートを各々形成する
    段階と、 上記段階から、上記第1及び第2フローティングゲート
    間のシリコン基板を除外した全体領域に、不純物イオン
    を注入してソース及びドレーンを形成する段階と、 上記段階から、上部面全体に、誘電体膜及び第2ポリシ
    リコン層を順次に形成する段階と、 上記段階から、上記第2ポリシリコン層及び誘電体膜を
    順次にパターニングしてコントロールゲートを形成する
    段階とからなることを特徴とするフラッシュEEPRO
    Mセルの製造方法。
  4. 【請求項4】第3項において、 上記トンネル酸化膜は、80ないし120Åの厚さで形
    成されることを特徴とするフラッシュEEPROMセル
    の製造方法。
  5. 【請求項5】第3項において、 上記第1及び第2フローティングゲートは、水平に隣接
    して形成されることを特徴とするフラッシュEEPRO
    Mセルの製造方法。
  6. 【請求項6】第3項において、 上記誘電体膜は、酸化膜−窒化膜−酸化膜の順に形成さ
    れることを特徴とするフラッシュEEPROMセルの製
    造方法。
  7. 【請求項7】フラッシュEEPROMセルの製造方法に
    おいて、 シリコン基板上に、トンネル酸化膜及び第1ポリシリコ
    ン層を順次に形成する段階と、 第1フローティングゲートと第2フローティングゲート
    間の上記第1ポリシリコン層をパターニングする段階
    と、 上部面全体に、誘電体膜及び第2ポリシリコン層を順次
    に形成する段階と、 コントロールゲート用マスクを利用し写真及びエッチン
    グ工程で上記第2シリコン層、上記誘電体膜、及び上記
    第1及び第2フローティングゲートを順次にパターニン
    グする段階と、 シリコン基板に、不純物イオンを注入してソース及びド
    レーンを形成する段階とからなることを特徴とするフラ
    ッシュEEPROMセルの製造方法。
  8. 【請求項8】第7項において、 上記トンネル酸化膜は、80乃至120Åの厚さで形成
    されることを特徴とするフラッシュEEPROMセルの
    製造方法。
  9. 【請求項9】第7項において、 上記第1及び第2フローティングゲートは、水平に隣接
    して形成されることを特徴とするフラッシュEEPRO
    Mセルの製造方法。
  10. 【請求項10】第7項において、 上記誘電体膜は、酸化膜−窒化膜−酸化膜の順に形成さ
    れることを特徴とするフラッシュEEPROMセルの製
    造方法。
  11. 【請求項11】第1及び第2フローティングゲートにホ
    ットエレクトロンが注入されるようにコントロールゲー
    ト、ソース及びドレーンにバイアス電圧を印加した後、
    上記コントロールゲート、ソース及びドレーンに印加さ
    れるバイアス電圧の条件に従い、上記第1及び第2フロ
    ーティングゲートに注入されたホットエレクトロンを選
    択的に消去して、4進情報がプログラムされるようにす
    ることを特徴とするフラッシュEEPROMセルのプロ
    グラム方法。
  12. 【請求項12】第11項において、 上記第1及び第2フローティングゲートにホットエレク
    トロンを注入させるため、上記コントロールゲートに印
    加する電圧は、ドレーンに印加される電圧より高くし、
    ソースには接地電位が印加されるようにしたことを特徴
    とするフラッシュEEPROMセルのプログラム方法。
  13. 【請求項13】第11項において、 上記第2フローティングゲートに注入されたホットエレ
    クトロンを放電させるため、上記コントロールゲートを
    接地電位になるようにし、ソースはフロートさせる一
    方、ドレーンには、上記コントロールゲートに印加され
    る電圧より高い電圧が印加されるようにしたことを特徴
    とするフラッシュEEPROMセルのプログラム方法。
  14. 【請求項14】第11項において、 上記第1フローティングゲートに注入されたホットエテ
    クトロンを放電させるため、上記コントロールゲートは
    接地電位になるようにし、ドレーンをフロートさせる一
    方、ソースには上記コントロールゲートに印加される電
    圧より高い電圧が印加されるようにしたことを特徴とす
    るフラッシュEEPROMセルのプログラム方法。
  15. 【請求項15】第11項において、 上記第1及び第2フローティングゲートに注入されたホ
    ットエレクトロンを放電させるため、上記コントロール
    ゲートが接地電位になるようにし、ソース及びドレーン
    には、上記コントロールゲートに印加される電圧より高
    いが、同一の大きさの電圧が印加されるようにしたこと
    を特徴とするフッラッシュEEPROMセルのプログラ
    ム方法。
  16. 【請求項16】第1及び第2フローティングゲートに、
    選択的に注入されたホットエレクトロンにより、プログ
    ラムされた4進情報を読出するため、順方向読出及び逆
    方向読出を各々実施した後、ドレーン及びソース電流の
    有無に従い、貯蔵された情報が読出されるようにしたこ
    とを特徴とするフラッシュEEPROMセルの読出方
    法。
  17. 【請求項17】第16項において、 上記、順方向読出の際、ソースが接地電位になるように
    し、コントロールゲートには、ドレーンに印加される電
    圧より高い電圧が印加されるようにしたことを特徴とす
    るフラッシュEEPROMセルの読出方法。
  18. 【請求項18】第16項において、 上記、逆方向読出の際、ドレーンが接地電位になるよう
    にし、コントロールゲートにはソースに印加される電圧
    より高い電圧が印加されるようにしたことを特徴とする
    フラッシュEEPROMセルの読出方法。
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