JPS6384168A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置

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JPS6384168A
JPS6384168A JP61230723A JP23072386A JPS6384168A JP S6384168 A JPS6384168 A JP S6384168A JP 61230723 A JP61230723 A JP 61230723A JP 23072386 A JP23072386 A JP 23072386A JP S6384168 A JPS6384168 A JP S6384168A
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floating gate
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silicon oxide
mos transistor
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岩橋 弘
Masamichi Asano
正通 浅野
Shinichi Kikuchi
菊地 信一
Akira Narita
晃 成田
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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】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、データが電気的に書き換え可能であり、記
憶されたデータを半永久的に保持する不揮発性半導体記
憶装置に関する。
(従来の技術) 浮遊ゲート電極及び制御ゲート電極の二重ゲート構造を
持つMOSトランジスタを用いた、電気的にデータの書
込み及び消去が可能な不揮発性半導体記憶装置が良く知
られている。
第3図はこの種の記憶装置の1ビット分のメモリセルの
等価回路図である。このメモリセルはデータ記憶用MO
SトランジスタCTと、これに直列接続された選択用M
OSトランジスタSGとで構成されている。そして、デ
ータ記憶用MOSトランジスタCTのドレイン領域と浮
遊ゲート電極の一部とは、100人程堆積いうように極
めて薄くされたシリコン酸化膜を介して重なり合ってい
る。
このような構成のメモリセルにおけるデータの古き込み
は、100人程席上いうように極めて薄くされた上記シ
リコン酸化膜を介して、フ1ウラ。
ノルドハイムのトンネル効果により電子をドレイン領域
から浮遊ゲート電極に注入することにより行われ、消去
はこの逆に浮遊ゲート電極から上記シリコン酸化膜を介
してドレイン領域に放出することにより行われる。すな
わら、電子の注入は、データ記憶用MOSトランジスタ
CTの制御ゲート電極を高電位に設定し、制御ゲートN
8iと浮遊ゲート電極との間の容量結合によって浮遊ゲ
ート電極の電位を上昇させ、トンネル効果により上記シ
リコン酸化膜を通してドレイン領域から浮遊ゲートff
電極に電子を移動させることにより行われる。
他方、浮遊ゲート電極からの電子の放出は、選択用MO
8トランジスタSGのドレイン領域に高電位を印加しか
つゲート電極を高電位に設定してデータ記憶用MOSト
ランジスタCTのドレイン領域に高電位を出力させ、こ
の状態でデータ記憶用MO3トランジスタCTの制御ゲ
ート電極をアース電位(OV)に設定し、トンネル効果
により上記シリコン酸化膜を通して浮遊ゲート電極から
ドレイン領域に電子を移動させることにより行われる。
このメモリセルでは、電子の注入時には遊ゲートN極の
電位を高くする程、短時間で注入を行なうことができ、
電子の放出時には浮遊ゲート電極の電位を低くする程、
短期間で放出を行なうことができる。そこで、浮遊ゲー
ト電極の電位を十分に高くしたり、低くしたりするため
には、浮遊ゲートN極と制御ゲート電極との間の容品結
合をできるだけ大きくする必要がある。これには、浮遊
ゲート電極と制御ゲート電極とが重なり合っている部分
の面積を可能な限り大きくすることが重要である。
第4図は、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極との重なり
合っている部分の面積を十分に取ることでき、かつメモ
リセル自体の占有面積が小さく、高集積化が可能な従来
のメモリセルの構成を示す図であり、第4図(a)はパ
ターン平面図、第4図(b)は同図(a)のA−A’線
に沿った断面図である。このメモリセルでは、前記選択
用M○SトランジスタSGのソース領域及びデータ記憶
用MOSトランジスタCTのドレイン領域が、P型半導
体基板30上に連続して形成されたN“型領域31及び
32で構成されている。そして、N+型領領域32上一
部にはデータの書込み時及び消去時に電子の通り道とな
る100人程席上極く薄いシリコン酸化1I33が形成
されており、それぞれ多結晶シリコン層で構成された浮
遊ゲート劃14及び制御ゲート絶縁膜35はデータ記憶
用MOSトランジスタCTのチャネル領域36上7)X
らこのシリコン酸化膜33上に延長するように形成され
ている。また、選択用MOSトランジスタSGのチャネ
ル領域37上にはゲート電極38が形成されている。な
お、第4図において、N+型領領域40選択用MOSト
ランジスタSGのドレイン領域となるものであり、N+
型領領域41データ記憶用MOSトランジスタCTのソ
ース領域及び複数のセル内のデータ記憶用MOSトラン
ジスタのソース領域相互を接続する配線を構成しており
、各ゲート電極の下部には上記シリコン酸化膜33より
も十分に厚い、例えば数100人程席上膜厚のシリコン
酸化膜が形成されている。
上記のようなメモリセルを製造する場合、予め第4図(
a)中の一点鎖線で囲まれた領域に開口部を有するマス
クを用いて、基板30に対してN型不純物を注入してN
“型領域32を形成しておく。
次に、このN4″型領域32上に100人程席上極く薄
いシリコン酸化VA33を、他の領域ではゲート絶縁膜
として使用される膜厚が数100人程席上シリコン酸化
膜を形成した後、データ記憶用MO8トランジスタCT
では第1層目の多結晶シリコン層からなる浮遊ゲート2
11f極34及び第2層目の多結晶シリコン層からなる
制御ゲート電極35を形成し、これと同じ工程で選択用
MOSトランジスタSGでも第11i!!目の多結晶シ
リコン層によるゲート電極38を形成する。上記各ゲー
ト電極の形成後は、制御ゲート電極35及びゲート電極
3日をマスクに基板30に対してN型不純物を注入して
、選択用MOSトランジスタSGのドレイン領域となる
N+型領ffl 401選択用MOSトランジスタSG
のソース領域となるN+型領1iI31、データ記憶用
MOSトランジスタCTのソース領域となるN+型領領
域41それぞれ自己整合的に形成する。このとき、N+
型領領域31予め形成されたN+型領領域32接続され
る。
ところが、浮遊ゲート電極34を形成する場合には、N
+型領領域32対して自己整合的に行なうことができな
いので、マスク合せずれが発生する。
そして、このマスク合せずれにより、データ記憶用MO
SトランジスタCTのドレイン領域すなわちN1型領1
a32と浮遊ゲート電極34との間の容量結合に差が生
じる。つまり、第4図(a)において、N+型領領域3
2上方に、かつ浮遊ゲート電極34が下方にずれて形成
された時には容量結合は小さくなる。反対に、N+型領
領域32下方に、浮遊ゲート電極34が上方にずれて形
成された時には容量結合は大きくなる。このデータ記憶
用MOSトランジスタCTのドレインfRRと浮遊ゲー
ト電極34との間の容量結合の値は、ドレイン領域を高
電位に設定して浮遊ゲート電極34から電子を放出する
ときに重要である。なぜなら、ドレイン領域と浮遊ゲー
ト電極との間の容量結合はトレイン領域を轟電位に設定
したときの浮遊ゲート電位を決定する。従って、この容
量結合の大小は浮遊ゲート電極からの電子の放出量の大
小となってあられれ、さらにこれは電子の放出後の閾値
電圧のばらつきとなる。
また、第4図のメモリセルでは、データ記憶用MOSト
ランジスタCTのソース領域となるN+型領領域41制
御ゲート電極35をマスクにして形成するため、浮遊ゲ
ート電極34とN+型領領域32の間のマスク合せずれ
は、データ記憶用MOSトランジスタCTのチャネル長
のばらつきとなってあられれる。このようなマスク合せ
ずれは同一ウェハーでは同一方向に発生する。ところが
、ウェハーが異なると発生する方向が同じになるとは限
ら5.゛ ない。このため、この結果、ウェハー毎にメモリセルの
特性が異なってしまう問題がある。また、一般に、この
ようなメモリセルを集積化し、マトリクス状に配列させ
るときには、前記選択用トランジスタSGのドレイン領
域及びデータ記憶用MOSトランジスタCTのソース領
域それぞれを、上下方向で隣接するメモリセルで共有す
るように構成される。このため、上記のようなマスクず
れは、第4図のメモリセルにおいて、図中上下方向で隣
接するそれぞれ2個のメモリセルの特性に差を生じさせ
ることになり、集積化には不向きである。
さらに、第4図のメモリセルを製造する場合、予めN+
型領領域32イオン注入などの方法により形成した後の
種々の熱処理工程により注入イオンの拡散が起り、これ
がデータ記憶用MOSトランジスタCTのチャネル領域
36に達してチャネル長が短くなるという問題もある。
(発明が解決しようとする問題点) このように第4図に示す従来の記憶装置では、1ビット
当たりのメモリセルの占有面積が小さくでき、高集積化
を図ることができるが、反面、その構造故に製造時のマ
スク合せの際にマスクずれが発生し易く、このずれによ
りメモリセルの電気的特性が大幅にばらつくという問題
がある。
この発明は上記のような事情を考慮してなされたもので
あり、その目的は、メモリセルの高集積化を図ることが
でき、かつメモリセルの電気的特性の均一化を図ること
ができる不連発性半導体記憶装置を提供することにある
[発明の構成] (問題点を解決するための手段と作用)この発明の不揮
発性半導体記憶装置では、1ビットのメモリセルを選択
用MOSトランジスタと、この選択用MOSトランジス
タと直列接続され、浮遊ゲート電極及び制御ゲート電極
が設けられたデータ記憶用MOSトランジスタとで構成
し、上記データ記憶用MOSトランジスタのチャネル領
域上にゲート絶縁膜を介して上記浮遊ゲート電極の第1
の部分を設け、上記データ記憶用MOSトランジスタの
ドレイン領域上に一部が上記ゲート絶縁膜よりも十分に
薄くされたゲート絶縁膜を介して上記浮遊ゲート電極の
第2の部分を上記第1の部分とは分離して設け、上記浮
遊ゲート電極の第1の部分及び第2の部分をフィールド
領域上で接続し、上記浮遊ゲート電極上にゲート絶縁膜
を介して上記浮遊ゲート電極と略形状が等しい制御ゲ〜
1・電極を設けるようにしている。
このような構成とすることにより、データの書き込み及
び消去時に電子が通過する薄い絶縁膜部分はデータ記憶
用MOSトランジスタのチャネル領域の延長線上に位置
する。また、データ記憶用MOSトランジスタの浮遊ゲ
ート電極がソース、ドレイン、ゲート領域上で二つの部
分に分けられ、浮遊ゲート電極の第1の部分と第2の部
分との間に浮遊ゲート電極が設けられない領域が生じる
ために、この浮遊ゲート電極を形成する場合のマスク合
せずれがこの領域で吸収される。
(実施例) 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。
第1図はこの発明の一実施例による不揮発性半導体記憶
装置で使用されるメモリセルの構成を示す図であり、第
1図(a)はパターン平面図、第1図(b)は同図(a
)のA−A’線に沿った断面図である。図において、1
0は例えばP型のシリコン半導体基板である。この基板
10上にはN+型領領域1112.13.14.15が
形成されている。これらN+型領領域形成されている領
域及び後述するチャネル領域18.19は一般にSDG
領域(ソース、ドレイン、ゲート領域)と呼ばれ、この
5DGfa域以外のfJitRはフィールド領域と呼ば
れる。図示しないが、フィールド領域の基板10の表面
上には極めて膜厚が厚いシリコン酸化膜が形成されてい
る。上記N+型領領域1は前記第3図中の選択用MOS
トランジスタSGのドレイン領域を構成する。
Nゝ型領領域1213.14は選択用MO3t−ランジ
スタSGのソース領域及び前記第3図中のデータ記憶用
MOSトランジスタCTのドレイン領域を構成するもの
であり、これらN+型領領域1213.14は一列に連
続して形成されている。Nゝ型領領域15、データ記憶
用MOSトランジスタCTのソース領域を構成する。
上記N+型領領域3の表面上の一部には、データの書込
み時及び消去時に電子の通り道となる100人程席上極
く薄いシリコン酸化I!16が形成され、このシリコン
酸化膜16が形成されている領域以外のN+型領領域1
3表面上には数100人程席上膜厚のシリコン酸化膜1
7が形成されている。なお、上記シリコン酸化膜16は
後述する浮遊ゲート電極で覆われるものであるが、この
実施例ではシリコン酸化[l116を形成するときのガ
ラスマスクのパターンがSDGw!4域において、第1
図H1)中で二点i11線で示すように浮遊ゲート電極
からはみ出すような縦長の形状に形成される。ざらに、
上記N+型領領域1と12の相互間の基板10の表面領
域である前記選択用MO8)−ランジスタSGのチャネ
ル領域18上及びN+型領領域1415の相互間の基板
10表面領域である前記データ記憶用MOSトランジス
タCTのチャネル領域1つ上にもそれぞれゲート絶縁膜
として作用する数100人程席上膜厚のシリコン酸化膜
17が形成されている。さらに、上記N+型領領域13
上形成されたシリコン酸化膜1G、17上及びチャネル
領域19上に形成されたシリコン酸化ll117上には
、第1WJ目の多結晶シリコン層からなる浮遊ゲート電
極20が連続して形成される。この浮遊ゲート電w12
0は中央部が欠落した平面パターン形状にされてる。す
なわち、SDG領域において、この浮遊ゲート電極20
は第1の部分20Aと第2の部分203とに分離された
形状にされ、第1の部分2OAと第2の部分20Bとは
SDG領域以外のフィールド領域上で浮遊ゲート電極2
0自体で接続されている。さらに、選択用MOSトラン
ジスタSGのチャネル領域18上に形成されているシリ
コン酸化!!17上には、第1層目の多結晶シリコン層
からなるゲート電極21が形成される。図中、横方向に
配列されている複数の浮遊ゲート電橋20上には、数1
00人程席上I!!厚のシリコン酸化11122を介し
、第2層目の多結晶シリコン層からなる制′6(Iゲー
ト電極23が連続的に形成される。この制御ゲート電極
23の平面パターン形状は、各メモリセルにおいてドレ
イン、ソースの配列方向に対して浮遊ゲートゲート電極
20とほぼ等しくされる。また、上記ゲート電極21上
には、上記シリコン酸化膜22を介して、第2層目の多
結晶シリコン層からなるゲート電極24が形成される。
ここで、選択用MOSトランジスタSGでは、図示しな
い所定の位置で下層のゲート電極21と上層のゲート電
極24とが電気的に接続され、下層のゲート電極21が
実質上のゲート電極として作用するように構成される。
ところで、上記のようなメモリセルを製造する場合には
、予め第1図(a)中の一点鎖線で囲まれた領域に開口
部を有するマスクを用いて基板10に対してN型不純物
を注入して前記N+型領領域3を形成しておく。そして
、このN4型領域13上の一部に 100人程席上極く
薄いシリコン酸化膜16を形成し、他の領域ではl 1
00人程席上シリコン酸化膜17を形成した後、全面に
第1層目の多結晶シリコン層を堆積する。そして、次に
この第11目の多結晶シリコン層を各セルの浮遊ゲート
電極として分離するため、第1図(a)中の破線部分を
選択的に除去し、さらにこの上に膜厚が数100人程席
上シリコン酸化膜22を形成し、次に第2層目の多結晶
シリコン層を堆積した後、所定のマスクを用いて第2層
目の多結晶シリコン層、その下層のシリコン酸化膜22
、さらにその下層の第1層目の多結晶シリコン層を連続
的に選択エツチングすることにより、上記浮遊ゲート電
g!20と制御ゲート電極23及び2層のゲート電極2
1と24それぞれを自己整合的に形成する。
ところで、選択用MOSトランジスタSGでゲート電極
を2層m造にし、両電極を接続して使用する理由は、デ
ータ記憶用MOSトランジスタCTと選択用MOSトラ
ンジスタSGにおけるゲート電極の製造工程を同一にし
て工程の簡略化を図るためである。
この後は制御ゲート電極23及びゲート電極24をマス
クに基板10に対してN型不純物を注入して、前記N+
型領領域1.12.14.15それぞれ自己整合的に形
成する。このとき、N+型領領域1214は予め形成さ
れているN+型領領域13接続される。
ところで、従来例のところでも説明したように、浮遊ゲ
ート電極20はN+型領領域13対して自己整合的に形
成することができないので、両者間にはマスク合せずれ
が発生する。ところが、この実施例装置では、このよう
なマスク合せずれが発生してもデータ記憶用MOSトラ
ンジスタCTのドレイン領域すなわちN+型領領域12
13.14と浮遊ゲート電極20との間には容量結合に
差は生じない。
例えば、第1図(a)において、N+型領領域13上方
に、かつ浮遊ゲート電極20の第1の部分2OAが下方
にずれて形成されたとしても、ドレイン領域と浮遊ゲー
ト電極20の第1の部分20Aとの重なり合う面積は一
定になる。これとは反対にN+型領領域13下方に、浮
遊ゲート電極20の第1の部分20Aが上方にずれて形
成された場合にも、ドレイン領域と第1の部分20Aと
の重なり合う面積は一定になる。すなわち、マスク合せ
ずれは浮遊ゲート電極20の第1の部分2OAと第2の
部分20Bとの間の、浮遊ゲート電極20が存在してい
ない部分で吸収される。このため、このマスク合せずれ
により、各メモリセル間で、データ記憶用MOSトラン
ジスタCTのドレイン領域と浮遊ゲート電極20との間
の容量結合の差は生じない。従って、浮遊ゲート電極2
0からの電子の放出量は一定にされ、各メモリセルにお
ける電子の放出後の同値電圧のばらつきも発生しない。
また、データ記憶用MO8トランジスタCTのドレイン
領域の一部となるN+型領領域14びソース領域となる
N4″型領域15を、浮遊ゲート電極20及び制御ゲー
ト電極23をマスクに形成することができるため、チャ
ネル領域19のチャネル長のばらつきは発生しない。こ
の結果、ウェハー毎及びセル毎にメモリセルの特性を一
致させることが可能である。
さらに、第1図のメモリセルを製造する場合、予めN+
型領領域13イオン注入などの方法により形成した後、
種々の熱処理工程による注入イオンの拡散が生じても、
データ記憶用MOSトランジスタCTのチャネル領域1
9との間にはN+型領領域14存在しているので、拡散
イオンがチャネル領域19にまで拡散されてチャネル長
が短くなるという恐れは発生しない。これにより、N“
型f!4域13を形成する際の伸びに注意を払う必要が
なくなる。
第2図はこの発明の他の実施例による不揮発性半導体記
憶装置で使用されるメモリセルの構成を示す図であり、
第2図<a)はパターン平面図、第2図(b)は同図(
a>のA−A’線に沿った断面図である。この実施例の
ものが前記第1図のセルと異なっているところは、前記
シリコン酸化膜16がSDG領域において浮遊ゲート電
極20の第1の部分2OAからはみ出さないような形状
にされている点である。
第1図のセルを形成する場合、膜厚が極めて1いシリコ
ン酸化膜16が浮遊ゲート電極20からはみ出して形成
されるため、自己整合プロセスにより前記第1層目及び
第2層目の多結晶シリコン層を選択エツチングする際に
、浮遊ゲート電極20からはみ出している部分のシリコ
ン酸化膜16も同時にエツチングされる。すると、この
部分の基板10が削り取られ、この部分で周辺との間に
段差が発生する可能性が大きくなる。ところが、この実
施例の場合には、膜厚が穫めて薄いシリコン酸化111
16が浮遊ゲート20の内側に形成されるため、このよ
うな段差が発生する可能性を小さくすることができる。
なお、上記実流例では、SDG領域の左右のフィールド
領域で、浮遊ゲートが接続されているが、これはどちら
かの一方で接続するようにしてもよく、また、一部がS
DG領域の上で接続されていなくてもよい。さらに、N
+型領領域13、他のN中型領域11.12.14.1
5とは必ずしも同一の不純物濃度である必要はない。例
えば、第1図において、選択用MOSトランジスタSG
のドレイン側のN+型領領域11チャネル領域側で浅く
なるように図示されているのは、ドレインに高電圧が印
加されたとき、ドレインの空乏層の広がりを大きくし、
ドレインとゲートによる電界を緩めてブレークダウン電
圧を高めるためである。この場合にはガラスマスクを用
いてN++不純物の導入領域を選択している。
[発明の効果] 以上説明したようにこの発明によれば、メモリセルの高
集積化を図ることができ、かつメモリセルの電気特性の
均一化を図ることができる不揮発性半導体記憶装置を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)及び(b)はこの発明の一実施例の構成を
示すものであり、第1図(a)はパターン平面図、第1
図(b)は断面図、第2図(a)及び(b)はこの発明
の他の実施例の構成を示すものであり、第2図(a)は
パターン平面図、第2図(b)は断面図、第3図は不揮
発性半導体記憶装置のメモリセルの構成を示す等価回路
図、第4図(a)及び(b)は上記メモリセルの従来の
構成を示すものであり、第4図(a)はパターン平面図
、第4図(b)は断面図である。 10・・・P型のシリコン半導体基板、11.12.1
3゜14、15・・・N+型領領域16・・・膜厚の薄
いシリコン酸化膜、17・・・シリコン酸化膜、18・
・・選択用MOSトランジスタのチャネル領域、19・
・・データ記憶用MOSトランジスタのチャネル領域、
20・・・浮遊ゲート電極、2OA・・・浮遊ゲート重
陽の第1の部分、20B・・・浮遊ゲート電極の第2の
部分、21・・・ゲート電極、22・・・シリコン酸化
膜、23・・・制御ゲート電極、24・・・ゲート電極
、CT・・・データ記憶用MOSトランジスタ、SG・
・・選択用MO8t−ランジスタ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1ビットのメモリセルが選択用MOSトランジスタと、
    この選択用MOSトランジスタと直列接続され、浮遊ゲ
    ート電極及び制御ゲート電極が設けられたデータ記憶用
    MOSトランジスタとで構成され、上記データ記憶用M
    OSトランジスタのチャネル領域上にゲート絶縁膜を介
    して上記浮遊ゲート電極の第1の部分を設け、上記デー
    タ記憶用MOSトランジスタのドレイン領域上に一部が
    上記ゲート絶縁膜よりも十分に薄くされたゲート絶縁膜
    を介して上記浮遊ゲート電極の第2の部分を上記第1の
    部分とは分離して設け、上記浮遊ゲート電極の第1の部
    分及び第2の部分を接続し、上記浮遊ゲート電極上に絶
    縁膜を介して上記浮遊ゲート電極と略形状が等しい制御
    ゲート電極を設けるようにしたことを特徴とする不揮発
    性半導体記憶装置。
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