(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の表面に、互いに間隔を置いて設けられた第２導電型のソース領域とドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域の表面であるチャネル形成領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域の上にゲート絶縁膜を介して設けられたフローティング電極と、
前記フローティングゲート電極とコントロール絶縁膜を介して設けられた、前記フローティングゲートと容量結合しているコントロールゲート電極と、
前記ドレイン領域表面から掘り下げられて、前記ドレイン領域の一部に設けられた微細な穴である微細穴と、
前記微細穴に埋め込まれる形で配置された、前記フローティングゲート電極の一部である突出部と、
前記微細穴の表面と前記突出部の表面の間に設けられたトンネル絶縁膜と、
前記微細穴の周囲に配置された、前記トンネル領域を画定するトンネル防止領域と、
を有し、
前記トンネル防止領域が、前記微細穴に接する前記ドレイン領域の表面付近に設けられた、電気的にフローティング状態である第１導電型の領域である電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
【請求項２】
前記ドレイン領域の、前記微細穴の底面に接する領域には、さらに、電気的にフローティング状態である第１導電型の第２のトンネル防止領域が設けられている請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
【請求項３】
前記トンネル絶縁膜あるいは前記コントロール絶縁膜の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜である請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
【請求項４】
前記ドレイン領域の、前記微細穴の底面に接する領域は、角が丸められた形状である請求項１記載の電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器に用いられる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリセル（以下ＥＥＰＲＯＭセルと略す）は、基本的に以下のような構成を有する。即ち、Ｐ型シリコン基板上にチャネル領域を介してＮ型ソース領域とＮ型ドレイン領域が配置され、Ｎ型ドレイン領域上の一部にトンネル領域を設け、約１００Åあるいはそれ以下の薄いシリコン酸化膜あるはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜などからなるトンネル絶縁膜を介してフローティングゲート電極が形成され、フローティングゲート電極上には薄い絶縁膜からなるコントロール絶縁膜を介してコントロールゲート電極が形成されており、フローティングゲート電極はコントロールゲート電極と強く容量結合している。フローティングゲート電極は周囲から電気的に絶縁されており、その内部に電荷を長期間蓄えておくことができる。
【０００３】
フローティングゲート電極およびコントロールゲート電極は、チャネル領域上に延設されておりチャネル領域のコンダクタンスはフローティングゲート電極の電位によって変化する。したがって、フローティングゲート電極中の電化量を変えることにより情報を不揮発性で記憶することができる。トンネル領域を兼ねたドレイン領域にコントロールゲートに対して約１５Ｖ以上の電位差を与えることにより、トンネル電流を発生させ、フローティングゲートの電子をトンネル領域のトンネル絶縁膜を介してドレイン領域に放出したり、逆にフローティングゲート電極に電子を注入したりすることができる。
【０００４】
このようにして、フローティングゲートの電荷量を変化させて、不揮発性メモリとして機能させる。このようなＥＥＰＲＯＭセルをマトリクス状に多数配置して、メモリアレイを形成し、大容量の不揮発性メモリ半導体装置を得ることもできる。
【０００５】
ここで、特に電子を通過させるトンネル絶縁膜を有するトンネル領域は重要である。一方で数十万回に及ぶ多数回のメモリセル情報の書き換えを可能にし、他方でメモリ情報の数十年にわたる長期保存（電荷の保持）の要求に対して支配的な役目を果たす。
【０００６】
トンネル領域およびトンネル絶縁膜の信頼性改善策として、ドレイン領域と隣接して不純物濃度の異なるトンネル領域を設けて書き換え特性や保持特性を向上させる例も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−１６００５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、改善例のようにドレイン領域と別に専用のトンネル領域を設ける半導体装置においては、占有面積が増大し半導体装置のコストアップに繋がるなどの問題点があった。占有面積を増加することなくトンネル絶縁膜の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、本発明は半導体装置を以下のように構成した。
第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の表面に、互いに間隔を置いて設けられた第２導電型のソース領域とドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体領域の表面であるチャネル形成領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域と前記チャネル形成領域の上にゲート絶縁膜を介して設けられたフローティング電極と、前記フローティングゲート電極とコントロール絶縁膜を介して容量結合したコントロールゲート電極と、前記ドレイン領域表面から掘り下げられて、前記ドレイン領域の一部に設けられた微細な穴である微細穴と、前記微細穴に埋め込まれる形で配置された、前記フローティングゲート電極の一部である突出部と、前記微細穴の表面と前記突出部の表面の間に設けられたトンネル絶縁膜と、前記微細穴の周囲に配置された、前記トンネル領域を画定するトンネル防止領域と、を有する電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。
【００１０】
ここで、前記トンネル防止領域が、前記微細穴に接する前記ドレイン領域の表面付近に設けられた、電気的にフローティング状態である第１導電型の領域である電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。
【００１１】
また、ここで、前記トンネル防止領域が、前記微細穴に接する前記ドレイン領域の表面付近に設けられた、電気的にフローティング状態である第２導電型の高不純物濃度領域と前記突出部との間に設けられた、前記トンネル領域のトンネル絶縁膜よりも厚い膜厚を有する第２のトンネル絶縁膜である電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置とした。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明した手段によって、占有面積が小さく微細で、データ書き換え時により低い電圧で効率よく書き換えができ、トンネル絶縁膜の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第１の実施例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第２の実施例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第３の実施例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第４の実施例を示す模式的断面図である。
【図５】本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第５の実施例を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では図面を参考に発明を実施するための様々な形態を実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第１の実勢例を示す模式的断面図である。
【００１６】
第１導電型のＰ型のシリコン基板１０１表面に、互いに間隔を置いて第２導電型のＮ型のソース領域２０１とドレイン領域２０２とが設けられ、ソース領域２０１とドレイン領域２０２との間のＰ型のシリコン基板１０１表面であるチャネル形成領域と、ソース領域２０１とドレイン領域２０２とチャネル形成領域の上には、例えばシリコン酸化膜からなる厚さ４００Åのゲート絶縁膜３０１を介してポリシリコンなどからなるフローティングゲート電極５０１が設けられ、フローティングゲート電極５０１の上面にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなるコントロール絶縁膜６０１を介して容量結合したポリシリコンなどからなるコントロールゲート電極７０１が形成されている。
【００１７】
ここで、ドレイン領域２０２の一部には、直径が４０００オングストロームであり深さが３０００オングストロームの、ドレイン領域２０２表面から掘り下げた微細な穴である微細穴１２０が形成されており、フローティングゲート電極５０１は、突出部５０２を有しており、突出部５０２が微細穴１２０に埋め込まれる形で形成されている。ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１と微細穴１２０に埋め込まれる形で形成されたフローティングゲート電極５０１の突出部５０２の表面との間には、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなる膜厚が８０オングストロームのトンネル絶縁膜４０１が設けられている。
【００１８】
さらに、トンネル電流が流れるトンネル領域の大きさを画定するために、微細穴１２０に接するドレイン領域２０２の表面付近には、ドレイン領域２０２表面から深さ８００オングストロームの位置に至るまで、不純物濃度を１立方センチメートル当たり１０19ａｔｍｓにした電気的にフローティング状態であるＰ型の領域であるトンネル防止領域９２１が設けられている。
【００１９】
微細穴１２０側面に形成されるトンネル領域８０１は微細穴１２０の底面からＰ型のトンネル防止領域９２１の底面までの部分となるため、実質的なトンネル領域８０１の深さは僅かに２２００オングストロームとなり、微細穴の直径は４０００オングストロームであるので、微細穴１２０の底面部分を加味しても微少な面積のトンネル領域８０１およびトンネル絶縁膜４０１を得ることができる。
【００２０】
従来、トンネル絶縁膜４０１は、ドレイン領域２０２表面のトンネル領域８０１表面に形成されていたが、本発明による実施例によれば、微細穴１２０の側面および底面にのみ形成されている。
これによって、従来の平面的なアライメント加工精度では達成できなかった、微細な面積のトンネル領域８０１およびトンネル絶縁膜４０１を形成することが可能となる。
【００２１】
微細な面積のトンネル領域８０１を形成することにより、コントロール絶縁膜６０１を介してコントロールゲート電極７０１とフローティングゲート電極５０１との間に設けられる容量と、フローティングゲート電極５０１とトンネル絶縁膜４０１を介してドレイン領域２０２との間に設けられる容量との対比指標である、いわゆるカップリングレシオを大きくすることができる。
【００２２】
また、微細穴１２０の深さは、図１に示した第１の実施例では、３０００オングストロームに設定したが、これは、微細穴１２０側面に形成されるトンネル領域８０１は、微細穴１２０の底面からＰ型のトンネル防止領域９２１の底面までの部分となるため、微少な面積のトンネル領域８０１を形成するために浅いほうが良く、好ましくは３０００オングストローム以下が望ましいためであるが、加工装置などの制限から難しい場合には、５０００オングストローム以下にすることでも従来に比べて大きな効果を奏することができる。
【００２３】
また、微細穴１２０の底面もトンネル領域８０１の一部となるので、微細穴１２０の直径も小さいほど良い。そのため微細穴１２０の直径は、望ましくは５０００オングストローム以下に形成し、もし微細穴掘り加工装置などの制限がある場合には、次善の策として１００００オングストローム以下に形成することで、微細な面積を有するトンネル領域８０１を作ることに効果を奏する。
【００２４】
カップリングレシオを大きくすることにより、コントロールゲート電極７０１に印加した電圧が効率よくフローティングゲート電極５０１に伝達されるため、最終的に、トンネル絶縁膜４０１を介したフローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２間の電位差を得ることが容易となることから、データの書き換え動作に必要なコントロール電極７０１への印加電圧を従来に比べてより小さくすることができる。また、カップリングレシオを確保するためにフローティングゲート電極５０１およびコントロール電極７０１を従来のように大きく形成する必要もなくなり、メモリセル全体を微細化することが可能になる。
【００２５】
また、微細穴１２０に接するドレイン領域２０２の表面付近には、表面からの深さが５００オングストローム以上になる電気的にフローティング状態であるＰ型のトンネル防止領域９２１を設け、その不純物濃度は１立方センチメートル当たり１０18ａｔｍｓ以上なので、ドレイン領域２０２やフローティングゲート電極５０１に高い動作電圧が印加された場合にも容易に反転層や空乏層が形成されない濃度である。ドレイン領域２０２表面付近の欠陥の発生しやすい領域はトンネル領域８０１として使われることがなく、欠陥の少ない良質な結晶性を有する内部領域に形成されたトンネル絶縁膜４０１を介して、ドレイン領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間で電子のやりとり（トンネリング）を行うことができる。
【００２６】
また、トンネル絶縁膜４０１あるいはコントロール絶縁膜６０１の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、さらに信頼性を向上させている。
【実施例２】
【００２７】
図２は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第２の実施例を示す模式的断面図である。
【００２８】
図１に示した第１の実施例と異なる点は、ドレイン領域２０２内の微細穴１２０の底面に接する領域に、電気的にフローティング状態であるＰ型のトンネル防止領域９２１を追加して設けてある点であり、これによって、微細穴１２０底面部のトンネル領域８０１の形成を防止することができる。
【００２９】
図１に示した第１の実施例に比べて、トンネル領域８０１の面積をさらに小さくすることができ、カップリングレシオをさらに増大させることが可能となる。その他の説明については、図１と同一の符号を付記することで説明に代える。
【実施例３】
【００３０】
図３は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第３の実施例を示す模式的断面図である。
【００３１】
図１に示した第１の実施例と異なる点は、ドレイン領域２０２内の微細穴１２０の底面に接する領域が、角が丸められた形状となっている点である。フローティングゲート電極５０１が埋め込まれた微細穴２０２の底部を丸めた形状とすることにより、データ書き換えに際するフローティングゲート電極５０１への電子の注入や、トンネル領域８０１への電子の引き抜き時に高電界が局所に集中することが防止でき、データ書き換え可能回数を増大させて信頼性の高い半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。その他の説明については、図１と同一の符号を付記することで説明に代える。
【００３２】
これらの手段によって、占有面積が小さく微細で、電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置におけるデータ書き換え時により低い電圧で効率よく書き換えができ、トンネル絶縁膜の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。
【実施例４】
【００３３】
図４は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第４の実施例を示す模式的断面図である。
【００３４】
第１導電型のＰ型のシリコン基板１０１表面に、互いに間隔を置いて第２導電型のＮ型のソース領域２０１とドレイン領域２０２とが設けられ、ソース領域２０１とドレイン領域２０２との間のＰ型のシリコン基板１０１表面であるチャネル形成領域と、ソース領域２０１とドレイン領域２０２とチャネル形成領域の上には、例えばシリコン酸化膜からなる厚さ４００Åのゲート絶縁膜３０１を介してポリシリコンなどからなるフローティングゲート電極５０１が設けられ、フローティングゲート電極５０１の上面にはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなるコントロール絶縁膜６０１を介して容量結合したポリシリコンなどからなるコントロールゲート電極７０１が形成されている。
【００３５】
ここで、ドレイン領域２０２の一部には、直径が４０００オングストロームであり深さが３０００オングストロームの、ドレイン領域２０２表面から掘り下げた微細な穴である微細穴１２０が形成されており、フローティングゲート電極５０１は、突出部５０２を有しており、突出部５０２が微細穴１２０に埋め込まれる形で形成されている。ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１と微細穴１２０に埋め込まれる形で形成されたフローティングゲート電極５０１の突出部５０２の表面との間には、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜あるいはそれらの複合膜などからなる膜厚が８０オングストロームのトンネル絶縁膜４０１が設けられている。
【００３６】
さらに、トンネル電流が流れるトンネル領域の大きさを画定するために、微細穴１２０に接するドレイン領域２０２の表面付近には、ドレイン領域２０２表面から深さ２０００オングストロームの位置に至るまで、不純物濃度を１立方センチメートル当たり１０19ａｔｍｓにしたＮ型の高不純物濃度領域２２２が設けられている。微細穴１２０に接する不純物濃度を１立方センチメートル当たり、１０19ａｔｍｓとしたＮ型の高不純物濃度領域２２２表面には、ドレイン領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間に印加される最大電界によっても電子のトンネリング現象を発生することのない厚い膜厚を有する第２のトンネル絶縁膜が形成されていて、トンネル防止領域を形成している。これは、Ｎ型の高不純物濃度領域２２２の不純物濃度を１立方センチメートル当たり１０19ａｔｍｓ以上としているので、表面を熱酸化した場合には他のドレイン領域２０２に比べて厚いシリコン酸化膜が形成されるからであり、特別な工程を必要としないという製造上の利点もある。
【００３７】
微細穴１２０側面に形成されるトンネル領域８０１は、微細穴１２０の底面からＮ型の高不純物濃度領域２２２の底面までの部分となるため、実質的なトンネル領域８０１の深さは僅かに１０００オングストロームとなり、微細穴の直径は４０００オングストロームであるので、微細穴１２０の底面部分を加味しても微少な面積のトンネル領域８０１およびトンネル絶縁膜４０１を得ることができる。
【００３８】
従来、トンネル絶縁膜４０１は、ドレイン領域２０２表面のトンネル領域８０１表面に形成されていたが、本発明による実施例によれば、微細穴１２０の側面および底面にのみ形成されている。
これによって、従来の平面的なアライメント加工精度では達成できなかった、微細な面積のトンネル領域８０１およびトンネル絶縁膜４０１を形成することが可能となる。
【００３９】
微細な面積のトンネル領域８０１を形成することにより、コントロール絶縁膜６０１を介してコントロールゲート電極７０１とフローティングゲート電極５０１との間に設けられる容量と、フローティングゲート電極５０１とトンネル絶縁膜４０１を介してドレイン領域２０２との間に設けられる容量との対比指標である、いわゆるカップリングレシオを大きくすることができる。
【００４０】
また、微細穴１２０の深さは、図１に示した第１の実施例では、３０００オングストロームに設定したが、これは、微細穴１２０側面に形成されるトンネル領域８０１は、微細穴１２０の底面からＮ型の高不純物濃度領域２２２の底面までの部分となるため、微少な面積のトンネル領域８０１を形成するために浅いほうが良く、好ましくは３０００オングストローム以下が望ましいためであるが、加工装置などの制限から難しい場合には、５０００オングストローム以下にすることでも従来に比べて大きな効果を奏することができる。
【００４１】
また、微細穴１２０の底面もトンネル領域８０１の一部となるので、微細穴１２０の直径も小さいほど良い。そのため微細穴１２０の直径は、望ましくは５０００オングストローム以下に形成し、もし微細穴掘り加工装置などの制限がある場合には、次善の策として１００００オングストローム以下に形成することで、微細な面積を有するトンネル領域８０１を作ることに効果を奏する。
【００４２】
カップリングレシオを大きくすることにより、コントロールゲート電極７０１に印加した電圧が効率よくフローティングゲート電極５０１に伝達されるため、最終的に、トンネル絶縁膜４０１を介したフローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２間の電位差を得ることが容易となることから、データの書き換え動作に必要なコントロールゲート電極７０１への印加電圧を従来に比べてより小さくすることができる。また、カップリングレシオを確保するためにフローティングゲート電極５０１およびコントロールゲート電極７０１を従来のように大きく形成する必要もなくなり、メモリセル全体を微細化することが可能になる。
【００４３】
また、微細穴１２０に接するドレイン領域２０２の表面付近には、表面からの深さが５００オングストローム以上になるＮ型の高不純物濃度領域２２２を設けて、その不純物濃度を１立方センチメートル当たり１０19ａｔｍｓ以上として、Ｎ型の高不純物濃度領域２２２表面には、微細穴１２０に接する他のドレイン領域２０２内に形成されるトンネル領域８０１表面のトンネル絶縁膜４０１の膜厚よりも膜厚が厚く、動作電圧範囲内でトンネリング現象を発生しない絶縁膜が形成されている。
【００４４】
このため、ドレイン領域２０２表面付近の欠陥の発生しやすい領域はトンネル領域８０１として使われることがなく、欠陥の少ない良質な結晶性を有する内部領域に形成されたトンネル絶縁膜４０１を介して、ドレイン領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間で電子のやりとり（トンネリング）を行うことができる。
また、トンネル絶縁膜４０１あるいはコントロール絶縁膜６０１の少なくとも一方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、さらに信頼性を向上させている。
【実施例５】
【００４５】
図５は、本発明による電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置の第５の実施例を示す模式的断面図である。
図１に示した第１の実施例と異なる点は、ドレイン領域２０２内の微細穴１２０の側面に接する領域を、全てＮ型の高不純物濃度領域２２２によって覆っている点である。
【００４６】
これにより、ドレイン領域２０２のさらなる低抵抗化を図ることができるとともに、微細穴１２０に接するドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１が微細穴１２０の底面部分にのみ形成されるように、Ｎ型の高不純物濃度領域２２２を形成することによって、微細穴１２０側面部のトンネル領域８０１の形成を防止し、微細穴１２０低面部にのみトンネル領域８０１を形成することができる。その上、図４に示した第４の実施例に比べて、トンネル領域８０１の面積をさらに小さくすることができ、カップリングレシオをさらに増大させることが可能となる。
その他の説明については、図４と同一の符号を付記することで説明に代える。
【００４７】
これらの手段によって、占有面積が小さく微細で、電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置におけるデータ書き換え時により低い電圧で効率よく書き換えができ、トンネル絶縁膜の劣化を抑制して高い信頼性を持った電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０１  Ｐ型のシリコン基板
１２０  微細穴
２０１  ソース領域
２０２  ドレイン領域
３０１  ゲート絶縁膜
４０１  トンネル絶縁膜
５０１  フローティングゲート電極
６０１  コントロール絶縁膜
７０１  コントロールゲート電極
８０１  トンネル領域
９２１  Ｐ型トンネル防止領域
【図１】
0005829896.tif 000002
【図２】
0005829896.tif 000003
【図３】
0005829896.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005829896.tif 000006