JP2000208647A - Eepromメモリセル及びその製造方法 - Google Patents

Eepromメモリセル及びその製造方法

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JP2000208647A
JP2000208647A JP11005037A JP503799A JP2000208647A JP 2000208647 A JP2000208647 A JP 2000208647A JP 11005037 A JP11005037 A JP 11005037A JP 503799 A JP503799 A JP 503799A JP 2000208647 A JP2000208647 A JP 2000208647A
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memory cell
gate
eeprom memory
drain region
oxide film
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JP11005037A
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Katsuto Sasaki
勝人 佐々木
Tsutomu Tsujimura
勉 辻村
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International Business Machines Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の第1の目的は、1層のポリシリコ
ンにより構成されるメモリセルとすることにより、製造
プロセスを簡単にして、生産性を向上させるとともに、
メモリセルの低コスト化を図ることであり、本発明の第
2の目的は、メモリセルを単純な構造とするとともにメ
モリセルの面積を小さくすることにより、高度集積化を
図ることである。さらに、本発明の第3の目的は、DH
E(Drain Channel Hot Electron)、及びGIDL(Gate
Induced Drain Leakage)を利用して、微細化を図ること
である。 【解決手段】 EEPROMメモリセル10であって、
基板12と、その基板12の表面に形成されたソース領
域14及びドレイン領域16と、これらソース領域14
とドレイン領域16との間の基板12の表面に画定され
たチャネル領域18と、このチャネル領域18の上にソ
ース領域14とドレイン領域16の一部と重なる位置に
形成されたゲート酸化膜20と、この酸化膜20の上に
形成されたポリシリコンを含有するゲート22とを含む
EEPROMメモリセル10を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はEEPROMメモリ
セル及びその製造方法に関し、より詳しくは新規なEE
PROMメモリセルに関する。
【0002】
【従来の技術】図10に示すように、大容量のフラッシ
ュEEPROMメモリ1のセル構造は、2層のポリシリ
コン(多結晶シリコン)からなるゲート2,3を使用し
たスタック型のMOSFET(以下、CGFET)が主
流である。その構造における電荷蓄積部はフローティン
グゲート2であり、トンネル酸化膜4を通して電子の注
入・引き抜きを行う方式が一般的である。この構造は、
2層のポリシリコンからなるゲート2,3を備えている
ために、製造プロセスが複雑になる。しかも、製造方法
の複雑さのゆえに、信頼性の確保を難しくしている。
【0003】一方、図11に示すように、1層のポリシ
リコンからなるゲートを備えた代表的なデバイスとし
て、MNOS型のメモリセル5がある。MNOS型のメ
モリセル7はポリシリコンからなる2つのゲート6,7
を備え、ゲート絶縁膜としてシリコン・ナイトライド
(Si3 4 )層8と薄いシリコン熱酸化膜9を用いて
おり、トンネル効果によりナイトライド層8とシリコン
熱酸化膜9の界面近傍に形成されるトラップに電荷を蓄
積させて書き込み・消去を行うメモリセルである。この
メモリセルは2つのゲート6.7を平面方向に備えてい
るため、メモリセルの面積が広くなり、高度集積に制約
があるという問題点があった。
【0004】なお、本出願人が出願前に先行技術を調査
したところ、この種のMNOS型のメモリセルを改良し
たものである特表平8ー506693号(PCT/US
93/05669)公報に示す発明を見出した。この発
明は図12に示すように、単層の多結晶シリコン層を有
するフラッシュEEPROMセル130に関し、このセ
ル130は(アクセス)トランジスタ158とEEPR
OMトランジスタ162を備える構造をしている。そし
て、EEPROMトランジスタ162はフローティング
ゲート160と制御ゲート142を備えて、フローティ
ングゲート160に電荷を蓄積する上述のメモリセルと
同様の構成をしている。このフラッシュEEPROMセ
ル130はアクセストランジスタ158とEEPROM
トランジスタ162及びコンデンサ170を構成する制
御ゲート142を平面的に配置しているため、従来のE
EPROMメモリセルよりも広い集積面積を必要とし、
高密度化ができないという問題があった。
【0005】ところで、このフラッシュEEPROMセ
ル130は(アクセス)トランジスタ158とEEPR
OMトランジスタ162を備える構造である。また、先
行のフラッシュEEPROMセル130はフローティン
グゲート160と制御ゲート142を備え、フローティ
ングゲート160に電荷を蓄積することとしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、1層のポリシリコンにより構成されるゲート構造を
有するメモリセルとすることにより、製造プロセスを簡
単にして、生産性を向上させるとともに、メモリセルの
低コスト化を図ることである。
【0007】本発明の第2の目的は、メモリセルを単純
な構造とするとともにメモリセルの面積を小さくするこ
とにより、高度集積化を図ることである。
【0008】本発明の第3の目的は、DHE(Drain Cha
nnel Hot Electron)、及びGIDL(Gate Induced Drai
n Leakage)を利用して、メモリセルの微細化を図ること
である。
【0009】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は上記
目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、本発明に
至ったのであり、本発明のEEPROMメモリセルの要
旨とするところは、基板の表面に形成されたソース領域
及びドレイン領域と、これらの領域の間の基板の表面に
画定されたチャネル領域と、そのチャネル領域の上に形
成されたゲート酸化膜とゲートとを含むMOSFET構
造で構成され、メモリとして動作させられる。このEE
PROMメモリセルの電荷蓄積部は、ドレイン領域近傍
のトンネル酸化膜であり、GIDLを発生させやすくす
るために、ドレイン領域とゲート酸化膜(ゲート)との
重なりが大きくなるように形成されているのが好まし
い。このEEPROMメモリセルは、ホットエレクトロ
ンをゲート酸化膜にトラップさせることにより書き込み
され、ホールをゲート酸化膜に注入することにより消去
される。また、このEEPROMメモリセルの読み出し
は、ゲートに負電圧を印加してドレイン領域のGIDL
の変化を観測して行われる。
【0010】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係るEEPROM
メモリセルとその製造方法の実施の形態を図面に基づい
て詳しく説明する。
【0011】図1に示すように、本実施形態に係るEE
PROMメモリセル10は基板12と、その基板12の
表面に形成されたソース領域14及びドレイン領域16
と、それらソース領域14とドレイン領域16との間の
基板12の表面に画定されたチャネル領域18と、その
チャネル領域18の上にソース領域14とドレイン領域
16の一部と重なる位置に形成されたゲート酸化膜20
と、そのゲート酸化膜20の上に形成されたポリシリコ
ンを含有するゲート22とを備えて構成されている。
【0012】より詳しく説明すると、基板12はp形シ
リコン基板が好ましいが、n形シリコン基板を用いる場
合は、そのn形基板の上にpウェル層を形成したものが
用いられる。この基板12の表面には、ほぼ対称な2つ
のn+ 領域からなるソース領域14及びドレイン領域1
6がイオンの打ち込みによって形成されている。このイ
オンの打ち込みは、ゲート酸化膜20とゲート22を形
成した後に行われ、ゲート22(ゲート酸化膜20)
と、n+ 領域すなわちソース領域14及びドレイン領域
16の一部との重なりは、不純物イオンの拡散によって
生ずるものである。
【0013】ゲート酸化膜20は、シリコン基板12の
表面を熱酸化させて形成したシリコン熱酸化膜、あるい
は所定のガスたとえばN2 Oガスの存在下で熱酸化させ
て形成した複合熱酸化膜や、ナイトライド膜、オキシナ
イトライド膜などを使用するのが好ましい。また、ゲー
ト22は、この酸化膜の上にポリシリコン膜を堆積した
後、フォトエッチングによりポリシリコン膜と酸化膜を
所定のパターンに形成して、ゲート22及びゲート酸化
膜20を得ることができる。
【0014】このようにして製造されたEEPROMメ
モリセル10は、1層の多結晶シリコンのみからなるM
OSFETと同構造をしている。この構造のEEPRO
Mメモリセル10がメモリセルとして動作するには、書
き込み・消去・読み出しができることが必要である。
【0015】まず、EEPROMメモリセル10の書き
込み動作は、ソース領域14の電位Vsをグランドに保
ったまま、ドレイン領域16及びゲート22の電位V
d,Vgをそれぞれ高電圧とすることにより行われる。
その結果、ホットエレクトロンがチャネル領域18から
ゲート酸化膜20中のドレイン領域16近傍部にトラッ
プさせられる。
【0016】また、EEPROMメモリセル10の消去
動作は、ゲート22の電位Vgをグランドに保つかある
いは負電圧とし、ドレイン領域16の電位Vdを高電圧
とする一方、ソース領域14の電位Vsをオープンとす
ることにより行われる。そのメカニズムは、ドレイン領
域16に高電圧を印加すると、ドレイン領域16のゲー
ト22直下で、バンド間トンネル現象によってホールが
生じ、そのホールが基板12での電界で加速され、アバ
ランシェブレイクダウン(アバランシェ降伏)を起こ
す。その結果、ホットホールが発生し、ゲート酸化膜2
0中に注入される。それにより、ゲート酸化膜20中の
トラップされていたエレクトロンが電気的に中和され
る。
【0017】次に、EEPROMメモリセル10の読み
出し動作は、ゲート22の電位Vgを負電圧とし、ドレ
イン領域16の電位Vdを高電圧とする一方、ソース領
域14の電位Vsをオープンとするかあるいはグランド
に保つことにより、ドレイン領域16で生じるGIDL
によるドレイン電流Idの変化を読み出すことによって
行われる。このドレイン電流Idを変化させるGIDL
は、ゲート酸化膜20中の電荷に支配され、エレクトロ
ンがトラップさせられていた場合では、数100pA以
上、消去されていた場合では数pAとなり、書き込み・
消去前後に2桁の電流差が得られる。そこで、実際のフ
ラッシュEEPROMメモリセル10としては、このG
IDLによるドレイン電流差をセンスアンプにより増幅
し、ビット情報の0又は1を区別することができる。
【0018】以上の構成に係るEEPROMメモリセル
10は、1層のポリシリコンにより構成されるゲート2
2を備えるだけの単純な構造のメモリセルであるため、
製造プロセスが簡単であり、生産性を向上させることが
でき、メモリセルの低コスト化を図ることが可能であ
る。また、EEPROMメモリセル10は、ゲート22
が1つだけであるため、メモリセルの面積を小さくする
ことができ、高度集積化を図ることができる。たとえ
ば、従来のスタック型のメモリセルと比べ、EEPRO
Mメモリセルの面積は約8〜9割となる。さらに、この
EEPROMメモリセル10の動作は、書き込みにはD
HE(Drain Channel Hot Electron)を、消去にはDHI
(Drain Hole Injection)を、読み出しにはGIDL(Gat
e Induced Drain Leakage)の変化を利用するものであ
り、セルの構造上、特殊な構成を必要としない。このた
め、メモリセルの微細化に有利となる。
【0019】以上、本発明の基本構成に係るEEPRO
Mメモリセルの実施形態を説明したが、本発明は上述の
形態に限定されるものではない。
【0020】たとえば、図2に示すように、EEPRO
Mメモリセル24は、ゲ−ト22とドレイン領域26の
一部との重なりが、ゲート22とソース領域14の一部
との重なりより、大きくされた構造とするのが好まし
い。ゲ−ト22とドレイン領域26の一部との重なりを
大きくすることにより、ドレイン領域26はGIDLを
発生しやすくなり、メモリセル24としての性能が向上
する。
【0021】このような構成のEEPROMメモリセル
24は、次のようにして製造される。すなわち、まず常
法により、基板12上にゲート酸化膜20とゲート22
を形成するステップを経た後、その基板12に直角方向
からイオンを打ち込み、ソース領域14及びドレイン領
域16を形成するステップを行う。次いで、その基板1
2のドレイン領域16に斜め方向から少なくともゲ−ト
22とドレイン領域26との重なり部分へめがけてイオ
ンを打ち込むステップを行うことにより、ゲ−ト22と
ドレイン領域26の一部との重なりを大きくすることが
できる。
【0022】また、ゲ−ト22とドレイン領域26の一
部との重なりはほぼ同じ程度であっても、前述と同様に
して、基板12にドレイン領域16側から斜め方向にイ
オンを打ち込むステップを行うことにより、ドレイン領
域16にソース領域よりも高濃度にドープされた拡散層
を形成するようにしてもよい。この場合においても、ド
レイン領域26はGIDLを発生しやすくなり、メモリ
セル24としての性能が向上する。
【0023】次に、図3に示すように、このEEPRO
Mメモリセル28は、基板12とソース領域14及びド
レイン領域16との間に、P+ 層30又はP- 層を形成
するのも好ましい。このP+ 層30又はP- 層は少なく
ともドレイン領域16と基板12との間に形成されてい
れば足りる。P+ 層30又はP- 層は公知の手法によっ
て形成することができる。P+ 層30又はP- 層を形成
することにより、ショートチャネル効果を抑制し、また
ホットエレクトロンの発生効率を上昇させることができ
る。
【0024】以上、本発明に係るEEPROMメモリセ
ルとその製造方法を図面に基づいて説明したが、本発明
はこの基本構造を基に更なる改良を施して実施すること
が可能である。その他、上述の実施形態を適宜組み合わ
せて実施することができるなど、本発明はその趣旨を逸
脱しない範囲内で、当業者の知識に基づき種々なる改
良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものである。
【0025】
【実施例】図1及び図4に示す構造のEEPROMメモ
リセルを形成した。シリコン基板12を用い、熱酸化に
よりゲート酸化膜20を形成した。ゲート酸化膜20の
膜厚は100Åであった。また、ゲート22としてポリ
シリコンを堆積させた後、所定のパターンに形成した。
その後、ゲート22をマスクにして常法通り、イオンを
打ち込み、ソース領域14及びドレイン領域16を形成
した。形成されたチャネル領域18のチャネル幅Wは
0.7μmであり、チャネル長さLは0.8μmであっ
た。
【0026】得られたEEPROMメモリセル10につ
いて、書き込み後の読み出し電流特性を調べた。図5
(a)に示すように、ゲート22に9V、ドレイン領域
16に6Vを印加するとともにソース領域14を接地す
る書き込み動作を、100μsで1回行った。その後、
同図(c)に示すように、ソース領域14をオープンに
するとともにドレイン領域16に3Vを印加し、ゲート
22に0.0V、−1.0V、−2.0V、−3.0V
を順に印加して、読み出し電流(ドレイン電流)Idを
測定した。その結果を図6に示すように、ゲート電圧V
gをより大きな負電圧にすることにより、より大きな読
み出し電流Idが得られた。
【0027】また、得られたEEPROMメモリセル1
0について、消去後の読み出し電流特性を調べた。図5
(b)に示すように、ゲート22を接地し、ドレイン領
域16に8.5V,100μsの電圧パルスにより、ホ
ールを注入した。その後、上述と同様に、同図(c)に
示すように、ソース領域14をオープンにするとともに
ドレイン領域16に3Vを印加し、ゲート22に0.0
V、−1.0V、−2.0V、−3.0Vを順に印加し
て、読み出し電流Idを測定した。その結果を図6に示
すように、ゲート22に印加する電圧によらず、ほぼ一
定の値であった。
【0028】次に、得られたEEPROMメモリセル1
0について、書き込み特性を調べた。前述の図5(a)
に示す条件で、書き込み動作を5μsで5回行った。1
回書き込み動作を行う毎に、読み出し動作を行い、読み
出し電流Idを測定した。読み出し動作の条件は、ソー
ス領域14をオープンにするとともにドレイン領域16
に3Vを印加し、ゲート22に−3Vを印加した。その
結果を図7に示すように、書き込み回数が増える毎に、
読み出し電流Idが増えており、書き込みが正常に行わ
れていることを示している。
【0029】また、得られたEEPROMメモリセル1
0について、消去特性を調べた。前述の図5(b)に示
す条件で、消去動作を10μsで7回行った。1回消去
動作を行う毎に、読み出し動作を行い、読み出し電流I
dを測定した。読み出し動作の条件は、ソース領域14
をオープンにするとともにドレイン領域16に3Vを印
加し、ゲート22に−3Vを印加した。その結果を図8
に示すように、消去を行う毎に、読み出し電流Idが減
少しており、消去が正常に行われていることを示してい
る。
【0030】更に、得られたEEPROMメモリセル1
0について、書き込み・消去耐性を調べた。書き込み動
作と消去動作を交互に繰り返し、所定回数書き込んだと
きに読み出し動作を行い読み出し電流Idを測定し、次
いで、所定回数消去したときに読み出し動作を行い読み
出し電流Idを測定した。書き込み動作、消去動作及び
読み出し動作の条件は前述と同様であった。その結果を
図9に示すように、書き込み動作後の読み出し電流Id
が増加しているが、測定を行った100回までの結果か
らは、書き込み・消去耐性に関して実用上問題はないと
判断される。
【0031】次に、得られたEEPROMメモリセル1
0について、データ保持特性を調べた。データ保持特性
は、メモリセル10に書き込みを行った後、そのメモリ
セル10を250℃で30分間加熱し、その加熱前後に
おける読み出し電流の変化を調べた。その結果を表1に
示す。なお、比較例として、従来のスタック型EEPR
OMの電荷保持特性とともに示している。250℃、3
0分の高温放置特性結果は良好であった。
【0032】
【表1】
【0033】以上のデータから、本発明に係るEEPR
OMメモリセルは、最も基本的なメモリセルとしての動
作が確認された。
【0034】
【発明の効果】本発明のEEPROMメモリセルは、基
板の表面に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
これらの領域の間の基板の表面に画定されたチャネル領
域と、そのチャネル領域の上に形成されたゲート酸化膜
と、そのゲ−ト酸化膜の上に形成されたポリシリコンを
含有するゲートとを含むMOSFET構造をしており、
1層のポリシリコンにより構成されるメモリセルである
ため、製造プロセスを簡単にでき、生産性を向上させる
とともに、メモリセルの低コスト化を図ることができ
る。
【0035】また、本発明のEEPROMメモリセル
は、単純な構造であり、しかもゲートが平面的にも1つ
しかないため、微細化に有利であり、メモリセルの面積
を小さくすることができ、高度集積化を図ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るEEPROMメモリセルの実施形
態を示す断面模式図である。
【図2】本発明に係るEEPROMメモリセルの他の実
施形態を示す断面模式図である。
【図3】本発明に係るEEPROMメモリセルのさらに
他の実施形態を示す断面模式図である。
【図4】図1に示すEEPROMメモリセルの平面模式
図である。
【図5】(a)は本発明に係るEEPROMメモリセル
による書き込み動作、(b)は消去動作、(c)は読み
出し動作を説明するための図である。
【図6】本発明に係るEEPROMメモリセルの書き込
み・消去後の読み出し電流を示す図である。
【図7】本発明に係るEEPROMメモリセルの書き込
み特性を示す図である。
【図8】本発明に係るEEPROMメモリセルの消去特
性を示す図である。
【図9】本発明に係るEEPROMメモリセルの書き込
み・消去耐性を示す図である。
【図10】従来のフラッシュEEPROMメモリセルを
示す断面模式図である。
【図11】従来のMNOS型のメモリセルを示す断面模
式図である。
【図12】従来の他のMNOS型のメモリセルを示す図
であり、(a)は平面模式図、(b)は断面模式図であ
る。
【符号の説明】
10,24,28:EEPROMメモリセル 12:基板(p型シリコン基板又はpウエル) 14:ソース領域 16,26:ドレイン領域 18:チャネル領域 20:ゲート酸化膜 22:ゲート 30:P+
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 勝人 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 (72)発明者 辻村 勉 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 Fターム(参考) 5F001 AA13 AA14 AA16 AB02 AC01 AC05 AC30 AD18 AE02 AE03 AE08 AG12 5F083 EP17 EP18 EP22 EP62 EP64 EP69 ER09 ER11 ER22 ER30 GA09 JA04 JA05 JA19 PR37

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 EEPROMメモリセルであって、基板
    と、前記基板の表面に形成されたソース領域及びドレイ
    ン領域と、前記ソース領域とドレイン領域との間の基板
    の表面に画定されたチャネル領域と、前記チャネル領域
    の上にソース領域とドレイン領域の少なくとも一部と重
    なるように形成されたゲート酸化膜と、前記酸化膜の上
    に形成されたポリシリコンを含有するゲートとを含むこ
    とを特徴とするEEPROMメモリセル。
  2. 【請求項2】 前記ゲ−トとドレイン領域の一部との重
    なりが前記ゲ−トとソース領域の一部との重なりよりも
    大きいことを特徴とする請求項1に記載するEEPRO
    Mメモリセル。
  3. 【請求項3】 前記ドレイン領域が前記ソース領域より
    も高濃度にドープされた拡散層からなることを特徴とす
    る請求項1又は請求項2に記載するEEPROMメモリ
    セル。
  4. 【請求項4】 前記ソース領域及びドレイン領域がn+
    層により形成されていることを特徴とする請求項1〜請
    求項3のいずれかに記載するEEPROMメモリセル。
  5. 【請求項5】 少なくとも前記ドレイン領域と基板との
    間にP+ 層又はP-層を含むことを特徴とする請求項4
    に記載するEEPROMメモリセル。
  6. 【請求項6】 前記ゲート酸化膜は、シリコンから成る
    基板の表面を熱酸化させたシリコン熱酸化膜、又は所定
    のガスの存在下で熱酸化させた複合熱酸化膜であること
    を特徴とする請求項1に記載するEEPROMメモリセ
    ル。
  7. 【請求項7】 前記EEPROMメモリセルの書き込み
    動作は、ドレイン領域近傍のゲート酸化膜中にエレクト
    ロンをトラップさせることにより行われることを特徴と
    する請求項1に記載するEEPROMメモリセル。
  8. 【請求項8】 前記EEPROMメモリセルの消去動作
    は、ドレイン領域近傍のゲート酸化膜中にホールを注入
    することにより、トラップさせられているエレクトロン
    を中和することを特徴とする請求項7に記載するEEP
    ROMメモリセル。
  9. 【請求項9】 前記EEPROMメモリセルの読み出し
    動作は、ゲートに負電圧を印加して、ドレイン領域で発
    生するGIDL(Gate Induced Drain Leakage)によるド
    レイン電流の変化を読み出すことを特徴とする請求項1
    に記載するEEPROMメモリセル。
  10. 【請求項10】 EEPROMメモリセルの製造方法で
    あって、基板上にゲート酸化膜とゲートを形成するステ
    ップと、前記基板に直角方向からイオンを打ち込み、ソ
    ース領域及びドレイン領域を形成するステップと、該基
    板のドレイン領域に斜め方向からイオンを打ち込むステ
    ップとを含むことを特徴とするEEPROMメモリセル
    の製造方法。
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