JPH09307071A - 半導体メモリ素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体メモリ素子及びその製造方法

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JPH09307071A
JPH09307071A JP9011950A JP1195097A JPH09307071A JP H09307071 A JPH09307071 A JP H09307071A JP 9011950 A JP9011950 A JP 9011950A JP 1195097 A JP1195097 A JP 1195097A JP H09307071 A JPH09307071 A JP H09307071A
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gate
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 浮遊ゲートと制御ゲートのカップリング比を
増加させることにより、ドレインに低い電圧を印加した
状態で書き込みを可能とすること。 【解決手段】 浮遊ゲートの形状を従来のように直線状
ではなく屈曲部を有する構造とし、その表面に誘電体層
を形成させ、制御ゲートを同様に屈曲部を有する形状と
し、誘電体層を挟んで浮遊ゲートと向かい合う構造とし
たことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は半導体メモリ素子の
製造方法に係り、特にカップリング比を高めるためのE
EPROM半導体メモリ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】メモリ素子は記憶された情報を消しさら
に新しい情報を保存しうる揮発性メモリ素子と、一度記
憶された情報が永久に保存される不揮発性メモリ素子に
大別される。揮発性メモリ素子としては情報の書き込み
及び読み出し可能なRAMがあり、不揮発性メモリ素子
としてはROM、EPROM及びEEPROMなどがあ
る。
【0003】不揮発性メモリ素子のうち、ROMは一度
情報が記憶されるとさらにプログラムできない素子であ
り、EPROMとEEPROMは記憶された情報を消去
し、さらにプログラムして記憶させることのできる素子
である。EPROMとEEPROMは、情報をプログラ
ムする動作は同一であり、ただ記憶された情報を消去す
る方法だけが違う。つまり、EPROMは紫外線によっ
て記憶された情報を消去し、EEPROMは電気的に記
憶された情報を消去する。
【0004】以下、このようなメモリ素子のうち、EE
PROMについて説明する。 EEPROM半導体メ
モリ素子の一つである、INTEL社の“ETOX”と
称される従来の半導体メモリ素子を添付図面を参照して
説明する。図1従来のEEPROMメモリ素子の工程断
面図であり、図2(a)、(b)は従来のEEPROM
メモリ素子のデータ記録/消去時の動作説明図である。
【0005】前記図面によれば、P形シリコン基板1上
に浮遊ゲート3aと制御ゲート5aが順次積層されて形
成され、その基板1の前記浮遊ゲート3aの両側にソー
ス領域及びドレイン領域としての第1、第2不純物領域
7、8が形成される。基板1と浮遊ゲート3aとの間、
及び浮遊ゲート3aと制御ゲート5aとの間にそれぞれ
絶縁膜が形成される。このとき、浮遊ゲート3aと制御
ゲート5aとの間には一般的なトランジスタのゲート絶
縁膜程度の厚さに絶縁膜4が形成され、浮遊ゲート3a
と基板1との間には薄いトンネル酸化膜2が形成され
る。
【0006】次に、このような従来のEEPROMメモ
リ素子の製造方法を説明する。図1(a)に示すよう
に、P形シリコン基板1上にトンネル酸化膜2、第1多
結晶シリコン3、絶縁膜4、及び第2多結晶シリコン5
を順次堆積する。その第2多結晶シリコン5上に感光膜
6を堆積し、露光及び現像工程で制御ゲート領域及び浮
遊ゲート領域を決め(b)、感光膜6をマスクとして第
2多結晶シリコン5、絶縁膜4、第1多結晶シリコン3
及びトンネル酸化膜2を選択的に除去して制御ゲート5
aと浮遊ゲート3aを形成する。さらに、前記制御ゲー
ト5a及び浮遊ゲート3aをマスクとして基板1に高濃
度のn形不純物イオンを注入して第1、第2不純物領域
7、8を形成する。
【0007】このような従来のEEPROMメモリ素子
の動作は次に示すようである。一つのセルにデータを書
き込むためには、図2(a)に示すように、第2不純物
領域8に7〜8Vの電圧を印加し、制御ゲート5aに1
2〜13Vの電圧パルスを印加し、第1不純物領域7と
P形シリコン基板1を接地する。そうすると、第2不純
物領域8と基板1との間のPN接合から高いエネルギー
が発生してなだれ降伏が生じ、このためホットエレクト
ロンが生成される。このように生成したホットエレクト
ロンの一部は基板1とトンネル酸化膜2との間のエネル
ギー障壁高さ(約3.2V)より大きいエネルギーを得
て、基板1からトンネル酸化膜2を越えて浮遊ゲート3
aに入ってそこに蓄積される。このような方法をチャネ
ルホットエレクトロン注入方式という。セルのこのよう
な状態は2進法における論理“1”を表す。
【0008】一方、前記したように一つのセルに書き込
まれたデータを消すためには、図2(b)に示すよう
に、P形シリコン基板1と制御ゲート5aを接地し、第
2不純物領域8を浮遊させた状態で第1不純物領域7に
12〜13Vの電圧パルスを印加する。 そうすると、
浮遊ゲート3aのオーバーラップした部位の薄いトンネ
ル酸化膜2を通ってFlower-Nordheimトンネリング方式
で第1不純物領域7に放出される。この際、浮遊ゲート
3aに蓄積されていた電子の放出量が徐々に増加するに
伴ってセルのしきい値電圧は低くなるので、一般的にセ
ルのしきい値電圧が3V以下となるように消去を行う。
従って、このような状態が2進法における論理“0”を
表す。
【0009】このような従来のEEPROMメモリ素子
の場合はデータの読み出し時にランダムアクセスが可能
なのでデータの読み出し時間が比較的短いという長所を
もっている。
【0010】反面、この従来のEEPROMメモリ素子
において、カップリング比は KW=C1/(C1+C2+C3+C4) となり、消去時には KW=1−C4/(C1+C2+C3+C4) この際、C1は制御ゲートと浮遊ゲートとの間のキャパ
シタンス、C2はソースと浮遊ゲートとの間のキャパシ
タンス、C3は基板と浮遊ゲートとの間のキャパシタン
ス、C4はドレインと浮遊ゲートとの間のキャパシタン
スをそれぞれ示す。
【0011】また、プログラム電圧Vpは Vp=Qfg/Cr+(VcgCl+VbC4+Vsu
bC3+VsC2)/Cr となる。Qfgは浮遊ゲートの電荷、CrはC1+C2
+C3+C4、Vcは制御ゲートの電圧、Vbはドレイ
ン電圧、Vsubは基板電圧、Vsはソース電圧をそれ
ぞれ示す。
【0012】上記式において、同一のプログラム電圧に
対してカップリング比が増加すればこそ効率的なプログ
ラムが可能になり、このためには制御ゲートと浮遊ゲー
トとの間のキャパシタンスが増加しなければならない。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のEEPROMメモリ素子において、高集積素子ではセ
ルサイズの縮小によってキャパシタ有効面積が制限され
るという問題があった。このため、書き込み時にドレイ
ンに高い電圧を加えなければならないので、プログラム
時に多く電力が消費されるという問題点があった。
【0014】本発明はかかる問題点を解決するためのも
ので、その目的は浮遊ゲートと制御ゲートのカップリン
グ比を増加させることにより、ドレインに低い電圧を印
加した状態で書き込みを可能とすることである。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体メモリ素子は、浮遊ゲートの形状を
従来のように直線状ではなく屈曲部を有する構造とし、
その表面に誘電体層を形成させ、制御ゲートを同様に屈
曲部を有する形状とし、誘電体層を挟んで浮遊ゲートと
向かい合う構造としたことを特徴とするものである。
【0016】本発明の半導体メモリ素子の製造方法は、
まず、半導体基板にトンネル絶縁膜、第1導電体層及び
絶縁膜を順次形成する。前記絶縁膜を選択的に除去して
コンタクトホールを形成してそのコンタクトホールを介
して第1導電体層に連結されるように全面に第2導電体
層を形成する。次に、前記コンタクトホールを中心とし
て単位セル領域を定め、第2、第1導電体層を選択的に
除去し、かつ前記絶縁膜を全て除去して浮遊ゲートを形
成する。その浮遊ゲートの露出した表面に誘電体層を形
成して、その誘電体層上に制御ゲートを形成する。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、上記した本発明による半導
体メモリ素子及びその製造方法の一実施形態を添付図面
を参照して詳細に説明する。図3〜図5は本発明の第1
実施形態によるEPPROMメモリ素子の工程断面図で
ある。図3(a)に示すように、半導体基板31上にト
ンネル酸化膜32、第1多結晶シリコン33a及び窒化
膜34を順次堆積する。次に、前記窒化膜34上に第1
感光膜35を堆積し、露光及び現像して前記窒化膜34
の所定の部位が露出されるようにする。図3(b)に示
すように、前記第1感光膜35をマスクとして前記露出
した窒化膜を選択的に除去して第1多結晶シリコン33
aに達するコンタクトホールを形成する。図3(c)に
示すように、前記第1感光膜35を除去し、全面に第2
多結晶シリコン33bを堆積させ、前記コンタクトホー
ルを介して第1多結晶シリコン33aに連結させれる。
そして、前記第2多結晶シリコン33b上に第2感光膜
36を堆積し、露光及び現像して単位セル領域を区画す
る。図3(d)に示すように、前記第2感光膜36をマ
スクとして前記第1、2多結晶シリコン33a、33b
及び前記窒化膜34を選択的にエッチングし、柱状に整
形する。前記第2感光膜36を除去して、図4(e)に
示すように、前記第2多結晶シリコン33b上に第3感
光膜37を堆積し、露光及び現像工程で第3感光膜パタ
ーンを形成する。このとき、第3感光膜37パターンは
第2感光膜36のパターンより狭い。図4(f)に示す
ように、第3感光膜37パターンをマスクとして、露出
した部分の第2多結晶シリコン33bを除去し、その後
窒化膜34を全て除去して浮遊ゲート33を第1及び第
2多結晶ポリシリコンからなる屈曲部を有する形状に形
成する。図示の例では上側の横棒が短いほぼ“エ”字の
形状である。図4(g)に示すように、前記浮遊ゲート
33の露出した表面に高温低圧誘電体HLD38を形成
する。図4(h)に示すように、前記高温低圧誘電体H
LD層38を含んだトンネル酸化膜32の全面に第3多
結晶シリコン39aを堆積する。そして、第3多結晶シ
リコン39a上に第4感光膜40を堆積し、露光及び現
像して第2感光膜36パターンと同じ大きさのパターン
とする。図5(i)に示すように、前記第4感光膜40
パターンをマスクとして、露出した第3多結晶シリコン
39aと前記トンネル酸化膜32を選択的にエッチング
して全体のゲート電極を形成する。最後に、図5(j)
に示すように、ゲート電極をマスクとして高濃度n形不
純物をイオン注入して前記半導体基板31にソース/ド
レイン領域としての第1、第2不純物領域41、42を
形成する。
【0018】一方、図6〜図7は本発明の第2実施形態
によるEEPROMメモリ素子の工程断面図である。本
発明の第2実施形態による半導体素子の製造方法は、ま
ず図6(a)に示すように、半導体基板51上にトンネ
ル酸化膜52、第1多結晶シリコン53a、窒化膜54
を順次堆積する。次に、前記窒化膜54上に第1感光膜
55を堆積し、露光及び現像工程で前記窒化膜54の所
定の部位が露出されるようにする。図6(b)に示すよ
うに、前記第1感光膜55をマスクとして、前記露出し
た窒化膜54を選択的に除去し、前記第1感光膜55を
除去する。図6(c)に示すように、部分的に残された
窒化膜54を含んだ第1多結晶シリコン53a上に第2
多結晶シリコン53bを堆積させ、第1多結晶シリコン
53aと第2多結晶ポリシリコン53aを連結する。さ
らに、前記第2多結晶シリコン53b上に第2感光膜5
6を堆積し、露光及び現像工程で前記窒化膜54上の一
部の第2多結晶シリコン53bが露出されるようにパタ
ーンを形成する。図6(d)に示すように、前記第2感
光膜56パターンをマスクとして、露出された部分の第
2多結晶シリコン53bを除去し、前記窒化膜54を全
て除去した後第2感光膜56も除去する。これによって
第1及び第2多結晶ポリシリコンからなる屈曲部を有す
る浮遊ゲートができる。次に、図7(e)に示すよう
に、第1、第2多結晶シリコン53a、53bの露出さ
れた表面に高温低圧誘電体HLD層57を形成する。図
7(f)に示すように、前記高温低圧誘電体HLD層5
7の全面に第3多結晶シリコン58aを形成し、前記第
3多結晶シリコン58a上に第3感光膜59を堆積し、
露光及び現像してゲート電極となる部分を決める。図7
(g)に示すように、前記第3感光膜59をマスクとし
て、第1、2、3多結晶シリコン53a、53b、58
a、前記高温低圧誘電体層HLD57及びトンネル酸化
膜52を選択的に除去して、屈曲部を有する浮遊ゲート
53と同様に屈曲部を有する制御電極とを備えた柱状の
ゲート電極を形成する。図7(h)に示すように、ゲー
ト電極をマスクとした高濃度n形不純物イオン注入によ
って前記半導体基板51上にソース/ドレイン領域とし
ての第1、第2不純物領域60、61を形成する。
【0019】このように製造される本発明の半導体メモ
リ素子の構造は図8及び図9に示す通りである。前記図
8及び図9は本発明の動作原理を説明するための単位セ
ルの断面構造図である。本発明の第1実施形態による半
導体メモリ素子の構造は、図8(a)、(b)に示すよ
うに、半導体基板31の所定の部位にトンネル酸化膜3
2が形成され、前記トンネル酸化膜32上に“エ”字形
状の浮遊ゲート33が形成され、前記浮遊ゲート33の
表面には誘電体層38が形成される。そして、前記誘電
体層38上には浮遊ゲートの上側部分を取り囲むように
誘電体層38に接触して制御ゲート39が形成され、前
記浮遊ゲート33及び制御ゲート39の両側の半導体基
板31にはソース/ドレイン領域としての第1、第2不
純物領域41、42が形成されている。
【0020】つまり、浮遊ゲート33は、前記トンネル
酸化膜32上の第1浮遊ゲートと、その中央部分から垂
直に延びた第2浮遊ゲートと、中央部分が前記第2浮遊
ゲートの先端で連結され、前記第1浮遊ゲートと平行す
るように配置された第3浮遊ゲートとの三つの部分から
構成されている。これら三つの部分で全体として屈曲し
た形状とされている。いうまでもなく、これらの三つの
浮遊ゲートの部分は連結され一つの浮遊ゲートを構成し
ている。そして、制御ゲート39は前記第2、第3浮遊
ゲートを包み込むようにされるともに第1浮遊ゲートの
上側の誘電体層38に接触するように形成される。すな
わち、浮遊ゲート33と制御ゲート39とはそれぞれ屈
曲した形で互いに相補性を有する形状とされて誘電体層
38を挟んで互いに向かい合っている。前記浮遊ゲート
と第1、第2不純物領域は浮遊ゲートの端部分で互いに
オーバーラップする。
【0021】本発明の第2実施形態による半導体メモリ
素子の構造は、図9(a)、(b)に示すように、浮遊
ゲート53と制御ゲート58と先の実施形態の形状と互
いに逆の形状とされている。すなわち、制御ゲート58
が“エ”字形とされ、浮遊ゲート53が“エ”字形の下
端部を包み込む形状とされて、互いに相補形とされてい
る。浮遊ゲート53及び制御ゲート58の両側の半導体
基板51にはソース/ドレイン領域としての第1、第2
不純物領域60、61が形成される。
【0022】詳細に説明すると、浮遊ゲート53は、ト
ンネル酸化膜52上に第1浮遊ゲートが形成され、その
両端から垂直に第2浮遊ゲートが形成され、その先端部
から第3浮遊ゲートが互いに向き合う方向に第1浮遊ゲ
ートに平行に伸び出している形状である。
【0023】そして、制御ゲート58は、前記第1浮遊
ゲートと第3浮遊ゲートとに挟まれるように第1制御ゲ
ートが水平に配置され、その中央部分から第2制御ゲー
トが垂直に第3浮遊ゲートの両側の先端の間を通り、そ
の先端部から第3制御ゲートが水平に延びる形状とされ
ている。
【0024】次に、このように構成される本発明の第
1、第2実施形態による半導体メモリ素子の動作方法を
説明する。一つのセルにデータを書き込むためには、図
8(a)及び図9(a)に示すように、制御ゲート3
9、58にVCG<VPの適切な電圧を印加し、第1不純
物領域41、60と基板を接地した状態で第2不純物領
域42、61にVD≠0の電圧を印加する。第2不純物
領域42、61と基板31、51との間にホットエレク
トロンが生成し、このホットエレクトロンの一部が基板
31、51からトンネル酸化膜32、52を越えて浮遊
ゲート33、53に入ってそこに蓄積されることによ
り、書き込み動作が完了する。このとき、制御ゲート3
9、58と第2不純物領域42、61に印加される電圧
は、従来より低い電圧である。
【0025】セルに書き込まれたデータを消すために
は、図8(b)及び図9(b)に示すように、基板3
1、51と制御ゲート39、58を接地し、第2不純物
領域42、61を浮遊させた状態で第1不純物領域4
1、60にパルス電圧を印加する。前記と同様に、第1
不純物領域41、60に印加されるパルスは、従来より
小さいパルスである。そうすると、浮遊ゲート33、5
3に貯蔵されていた電子は浮遊ゲート33、53と第1
不純物領域41、60のオーバーラップした部位の薄い
トンネル酸化膜32、52を通ってFlower-Nordheimト
ンネリング方式によって第1不純物領域41、60へ放
出される。この際、浮遊ゲート33、53に蓄積された
電子の放出量が増加するに伴ってセルのしきい値電圧は
低くなるので、一般的にセルのしきい値電圧が3V以下
となるように消去を行う。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体メ
モリ素子は次の効果を奏する。第1に、浮遊ゲートと制
御ゲートとがそれぞれ屈曲した形状とされるので、その
対向する面積が増え、その間のキャパシタンスが増加し
てカップリング比が増大するので、書き込みの効率が向
上する。第2に、カップリング比が増加するので、書き
込み/消去時に制御ゲート及び第1、第2不純物領域に
印加される電圧を低くすることができ、電力消費を減少
させることができる。第3に、カップリング比が増大す
るので、従来と同一のゲート電圧が加えられる場合には
読み取り電流が増加してアクセス時間が減少する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のフラッシュメモリ素子の工程断面図で
ある。
【図2】 従来のフラッシュメモリ素子のデータ記録、
消去時の動作説明図である。
【図3】 本発明の第1実施形態によるEEPROMメ
モリ素子の工程断面図である。
【図4】 本発明の第1実施形態によるEEPROMメ
モリ素子の工程断面図である。
【図5】 本発明の第1実施形態によるEEPROMメ
モリ素子の工程断面図である。
【図6】 本発明の第2実施形態によるEEPROMメ
モリ素子の工程断面図である。
【図7】 本発明の第2実施形態によるEEPROMメ
モリ素子の工程断面図である。
【図8】 本発明の第1実施形態によるデータ記録、消
去時の動作説明図である。
【図9】 本発明の第2実施形態によるデータ記録、消
去時の動作説明図である。
【符号の説明】
31、51 半導体基板 32、52 トンネル酸化膜 33a、33b、39a、53a、53b、58a 多
結晶シリコン 33、53 浮遊ゲート 34、54 窒化膜 39、58 制御ゲート 41、60 第1不純物領域 42、61 第2不純物領域 38、57 高温低圧誘電体層(HLD)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成されるトンネル絶縁膜と、 前記トンネル絶縁膜上に形成され、屈曲部を有する浮遊
    ゲートと、 前記浮遊ゲートの表面上に形成される誘電体層と、 前記誘電体層上に形成される制御ゲートと、 前記基板の前記浮遊ゲートの両側に形成される第1、第
    2不純物領域とを有することを特徴とする半導体メモリ
    素子。
  2. 【請求項2】 浮遊ゲートと第1、第2不純物領域は浮
    遊ゲートの端部分で互いにオーバーラップすることを特
    徴とする請求項1記載の半導体メモリ素子。
  3. 【請求項3】 浮遊ゲートは、 前記トンネル絶縁膜上に形成される第1浮遊ゲートと、 前記第1浮遊ゲートの中央部から垂直に形成される第2
    浮遊ゲートと、 前記第2浮遊ゲートの先端部から第1浮遊ゲートに平行
    に形成される第3浮遊ゲートとからなることを特徴とす
    る請求項1記載の半導体メモリ素子。
  4. 【請求項4】 第3浮遊ゲートは第1浮遊ゲートより短
    く形成されることを特徴とする請求項3記載の半導体メ
    モリ素子。
  5. 【請求項5】 浮遊ゲートは、 前記トンネル絶縁膜上に形成される第1浮遊ゲートと、 前記第1浮遊ゲートの両端からそれぞれ垂直に形成され
    る第2浮遊ゲートと、 前記それぞれの第2浮遊ゲートの先端から互いに向かい
    合う方向に水平に伸び出し、双方の先端部に空隙を形成
    させた第3浮遊ゲートとからなることを特徴とする請求
    項1記載の半導体メモリ素子。
  6. 【請求項6】 半導体基板にトンネル絶縁膜、第1導電
    体層及び絶縁膜を順次形成するステップと、 前記絶縁膜を選択的に除去してコンタクトホールを形成
    するステップと、 前記コンタクトホールを介して第1導電体層に連結され
    るように前記絶縁膜の上に第2導電体層を形成するステ
    ップと、 前記コンタクトホールを中心として単位セル領域を定
    め、それ以外の部分の第2、第1導電体層を選択的に除
    去し、かつ絶縁膜を全て除去して浮遊ゲートを形成する
    ステップと、 前記浮遊ゲートの露出した表面に誘電体層を形成するス
    テップと、 前記誘電体層上に制御ゲートを形成するステップと、 前記半導体基板の浮遊ゲートの両側に第1、第2不純物
    領域を形成するステップとを有することを特徴とする半
    導体メモリ素子の製造方法。
  7. 【請求項7】 浮遊ゲートを形成するステップに、第1
    導電体層の長さより短くなるように第2導電体層の両側
    を除去するステップをさらに有することを特徴とする請
    求項6記載の半導体メモリ素子の製造方法。
  8. 【請求項8】 半導体基板上にトンネル絶縁膜、第1導
    電体層を形成するステップと、 前記第1導電体層上の所定の部位に絶縁膜を形成するス
    テップと、 前記絶縁膜を含んだ第1導電体層上に第2導電体層を形
    成するステップと、 前記絶縁膜を中心として単位セル領域を定め、その領域
    以外の前記第1、第2導電体層及びトンネル絶縁膜を選
    択的に除去するステップと、 前記絶縁膜の上側の第2導電体層を選択的に除去し、絶
    縁膜を全て除去して浮遊ゲートを形成するステップと、 前記浮遊ゲートの表面上に誘電体層を形成するステップ
    と、 前記誘電体層上に制御ゲートを形成するステップと、 前記半導体基板の前記浮遊ゲートの両側に第1、第2不
    純物領域を形成するステップとを有することを特徴とす
    る半導体メモリ素子の製造方法。
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