(57)【要約】【課題】メモリセルアレイや周辺回路の小型化が行なえる半導体記憶装置を提供すること。【解決手段】電圧供給回路１０１で生成した５Ｖの電圧と、この５Ｖの電圧の極性を電圧極性反転回路１１１反転してなる−５Ｖの電圧とを、選択接続回路１０５によってメモリセルアレイ１０２に供給する。電圧供給回路１０１からの電圧値を検出する５Ｖ電圧レベル検出回路１０３と、電圧極性反転回路１０１からの電圧値を検出する−５Ｖ電圧レベル検出回路１０３とは、トランジスタの絶縁膜を薄く形成できるので、回路の微細化により回路面積が縮小できる。メモリセルアレイ１０２の不揮発性メモリ素子は、ゲート電極の両側にメモリ機能膜を有するので、ゲート絶縁膜を薄くして微細化を行なって、メモリセルアレイ１０２の回路面積を縮小できる。【選択図】  図２０
2004297028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不揮発性メモリ素子を用いて形成されたメモリセルアレイと、
上記メモリセルアレイに供給する電圧を生成する電圧供給回路と、
上記電圧供給回路が生成した電圧の極性を反転させる電圧極性反転回路と、
上記電圧極性反転回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧の値を検出する第１電圧値検出回路とを備え、
上記不揮発性メモリ素子は、
半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
このゲート電極下に上記ゲート絶縁膜を介して配置されたチャネル領域と、
上記チャネル領域の両側に配置されると共に、上記チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域と、
上記ゲート電極の両側に形成されて、電荷または分極を保持する機能を有するメモリ機能体と
を有することを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体記憶装置において、
上記電圧供給回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧の値を検出する第２電圧値検出回路を備えることを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリセルアレイを形成する不揮発性メモリ素子のうちの適切な不揮発性メモリ素子を選択し、この選択した不揮発性メモリ素子に、上記電圧供給回路および上記電圧極性反転回路を接続する選択接続回路を備え、
上記選択接続回路は、電界効果トランジスタを含むことを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体記憶装置において、
上記選択接続回路に含まれる電界効果トランジスタのうちの少なくとも１つは、上記電圧極性反転回路に含まれる電界効果トランジスタの閾値電圧よりも低い閾値電圧を有する低閾値電界効果トランジスタであることを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体の少なくとも一部が上記拡散領域の一部にオーバーラップしていることを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体記憶装置において、
上記メモリ機能体は、
上記ゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有して電荷を保持する機能を有する膜と、
上記チャネル領域または半導体層とを隔てる絶縁膜と
を有し、
上記絶縁膜の膜厚が、上記ゲート絶縁膜の膜厚より薄く、かつ、０．８ｎｍ以上であることを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体記憶装置を備えたことを特徴とする携帯電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から不揮発性の半導体記憶装置としては、代表的にはフラッシュメモリが用いられている。
【０００３】
このフラッシュメモリでは、図２３に示すように、半導体基板９０１上にゲート絶縁膜９０８を介してフローティングゲート９０２、絶縁膜９０７、ワード線（コントロールゲート）９０３がこの順に形成されており、フローティングゲート９０２の両側には、拡散領域によるソース線９０４及びビット線９０５が形成されてメモリ素子を構成する。このメモリ素子の周囲には、素子分離領域９０６が形成されている（特許文献１を参照）。
【０００４】
上記メモリ素子は、フローティングゲート９０２中の電荷量の多寡として記憶を保持する。上記メモリ素子を配列して構成したメモリセルアレイは、特定のワード線、ビット線を選択して所定の電圧を印加することにより、所望のメモリ素子の書き換え、読み出し動作を行なうことができる。
【０００５】
このようなフラッシュメモリでは、フローティングゲート９０２中の電荷量が変化したとき、図２４に実線の曲線と破線の曲線で示すような、ドレイン電流Ｉｄ対ゲート電圧Ｖｇ特性を示す。すなわち、上記フローティングゲート９０２中の負電荷の量が増加すると、図２４中の実線の曲線で示す特性から破線の曲線で示す特性になって、Ｉｄ−Ｖｇ曲線は、同じドレイン電流Ｉｄに対してゲート電圧Ｖｇが増加する方向にほぼ平行移動して、閾値電圧が増加する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−３０４２７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体記憶装置は、上記メモリ素子に対する特定の操作において高電圧を使用するので、上記メモリ素子や、周辺回路に用いられるトランジスタのゲート絶縁膜を厚くする必要がある。したがって、短チャネル効果を考慮する必要があるので、上記メモリ素子や周辺回路のトランジスタについて、ゲート長が比較的短いトランジスタを用いることが困難であり、その結果、メモリセルアレイや、周辺回路のうちの高電圧に関連する周辺回路の回路面積が大きくなるという問題がある。また、半導体記憶装置全体の小型化が困難であるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、メモリセルアレイや周辺回路の小型化が有効に行なえる半導体記憶装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の半導体記憶装置は、不揮発性メモリ素子を用いて形成されたメモリセルアレイと、
上記メモリセルアレイに供給する電圧を生成する電圧供給回路と、
上記電圧供給回路が生成した電圧の極性を反転させる電圧極性反転回路と、
上記電圧極性反転回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧の値を検出する第１電圧値検出回路とを備え、
上記不揮発性メモリ素子は、
半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
このゲート電極下に上記ゲート絶縁膜を介して配置されたチャネル領域と、
上記チャネル領域の両側に配置されると共に、上記チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域と、
上記ゲート電極の両側に形成されて、電荷または分極を保持する機能を有するメモリ機能体と
を有することを特徴としている。
【００１０】
本発明によれば、電圧供給回路で生成された電圧が、上記電圧極性反転回路によって極性が反転されて、メモリセルアレイに供給される。上記第１電圧値検出回路によって、上記電圧極性反転回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧の値が検出される。この検出値に応じて、例えば、上記電圧極性反転回路と上記メモリアレイとを接続する回路等の動作が制御される。上記メモリセルアレイに供給される電圧の値は、その絶対値が、上記電圧供給回路で生成された電圧の値以下である。その結果、上記メモリセルアレイの不揮発性メモリ素子や、上記第１電圧値検出回路等に用いられるトランジスタは、従来のような高電圧に対応するためにゲート絶縁膜の厚みを厚くする必要がない。したがって、上記不揮発性メモリ素子やトランジスタにおける短チャンネル効果が軽減される。その結果、上記不揮発性メモリ素子およびトランジスタについて、従来よりもチャンネル長を短くできる。さらに、上記メモリセルアレイを形成する不揮発性メモリ素子は、上記ゲート電極の両側にメモリ機能部を有するので、上記ゲート電極とチャネル領域との間のゲート絶縁膜の厚みを従来よりも薄くできる。その結果、この半導体記憶装置は、上記メモリセルアレイの不揮発性メモリ素子や、上記第１電圧値検出回路等のような周辺回路に用いられるトランジスタについて、ゲート絶縁膜の厚みを薄くでき、また、ゲート長を短くできる。これによって、上記メモリセルアレイや周辺回路の回路面積が効果的に小さくできて、半導体記憶装置の小型化を効果的に行なうことができる。
【００１１】
１実施形態の半導体記憶装置は、上記電圧供給回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧の値を検出する第２電圧値検出回路を備える。
【００１２】
上記実施形態によれば、上記第２電圧値検出回路によって、上記電圧供給回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧の値が検出される。上記第２電圧値検出回路が検出する電圧値と、上記第１電圧値検出回路が検出する上記電圧極性反転回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧値とは、絶対値の最大が互いに同じになる。したがって、上記第２電圧値検出回路に用いるトランジスタは、上記第１電圧値検出回路に用いるトランジスタと、ゲート絶縁膜の厚みおよびチャネル長が略同じにできる。しかも、上記第２電圧値検出回路は、上記第１電圧値検出回路と同様に、検出する電圧値の絶対値が従来よりも低いので、ゲート絶縁膜の厚みを従来よりも薄くできて、ゲート長を短くできる。その結果、上記第１電圧値検出回路と第２電圧値検出回路は、ゲート絶縁膜を同一の工程で形成できるので、製造工程における手間を従来よりも削除でき、しかも、上記第２電圧値検出回路の回路面積を従来よりも小さくできる。その結果、半導体記憶装置の小型化と、製造コストの削減とを、効果的に行なうことができる。
【００１３】
１実施形態の半導体記憶装置は、上記メモリセルアレイを形成する不揮発性メモリ素子のうちの適切な不揮発性メモリ素子を選択し、この選択した不揮発性メモリ素子に、上記電圧供給回路および上記電圧極性反転回路を接続する選択接続回路を備え、
上記選択接続回路は、電界効果トランジスタを含む。
【００１４】
上記実施形態によれば、上記接続選択回路によって、例えばメモリセルアレイの操作のモードに応じて、上記電圧供給回路および電圧極性反転回路からの電圧が、適切な不揮発性メモリ素子に供給される。また、上記接続選択回路は、電界効果トランジスタを含むので、所定の電圧を適切な不揮発性メモリ素子に供給する接続スイッチを、簡単に構成することができる。
【００１５】
１実施形態の半導体記憶装置は、上記選択接続回路に含まれる電界効果トランジスタのうちの少なくとも１つは、上記電圧極性反転回路に含まれる電界効果トランジスタの閾値電圧よりも低い閾値電圧を有する低閾値電界効果トランジスタである。
【００１６】
上記実施形態によれば、低閾値電界効果トランジスタを接続選択回路に使用することによって、電圧極性反転回路から供給された電圧は、上記接続選択回路によって不揮発性メモリ素子に供給される際における電圧降下量が低減されるので、上記不揮発性メモリ素子に十分な値の電圧を供給することができる。
【００１７】
一実施形態の半導体記憶装置は、上記半導体記憶装置において、上記メモリ機能体の少なくとも一部が上記拡散領域の一部にオーバーラップしている。
【００１８】
また、他の実施形態の半導体記憶装置は、上記半導体記憶装置において、上記メモリ機能体は、上記ゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有して電荷を保持する機能を有する膜と、上記チャネル領域または半導体層とを隔てる絶縁膜とを有し、上記絶縁膜の膜厚が、上記ゲート絶縁膜の膜厚より薄く、かつ、０．８ｎｍ以上である。
【００１９】
上記実施形態の半導体記憶装置によれば、上記不揮発性メモリ素子の書込み動作及び消去動作の電圧を低下させることによって、従来のように、高電圧に対応するためにゲート絶縁膜の膜厚を厚くする必要がない。このため、上記不揮発性メモリ素子や、上記不揮発性メモリ素子を動作させるための回路を構成する例えばトランジスタにおける短チャンネル効果が軽減される。その結果、上記不揮発性メモリ素子と、上記不揮発性メモリ素子を動作させるための回路を構成するトランジスタとについて、従来よりもチャンネル長を短くすることができる。
【００２０】
また、上記半導体記憶装置にチャージポンプ装置を設けた場合、このチャージポンプ装置に含まれる例えばキャパシタの面積を小さくすることができる。
【００２１】
以上より、上記半導体記憶装置の回路面積を大幅に削減することが可能となる。
【００２２】
本発明の携帯電子機器は、上記半導体記憶装置を備えたことを特徴としている。
【００２３】
上記構成の携帯電子機器によれば、１つの不揮発性メモリ当たり２ビットの記憶保持が可能で、かつ、微細化が容易な半導体記憶装置を備えているので、高機能化できると共に、小型化できる。また、小型化により、製造コストを削減することが可能になる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の半導体記憶装置に用いる不揮発性のメモリ素子について、その概略を説明する。
【００２５】
上記メモリ素子は、主として、半導体層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、チャネル領域と、拡散領域と、メモリ機能体とから構成される。ここで、上記チャネル領域とは、通常、半導体層と同じ導電型の領域であって、ゲート電極直下の領域を意味し、拡散領域は、チャネル領域と逆導電型の領域を意味する。
【００２６】
具体的には、本発明のメモリ素子は、拡散領域である１つの第１導電型の領域と、チャネル領域である第２導電型の領域と、第１及び第２導電型の領域の境界を跨って配置された１つのメモリ機能体と、ゲート絶縁膜を介して設けられた電極とから構成されていてもよいが、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側に形成された２つのメモリ機能体と、メモリ機能体のゲート電極と反対側のそれぞれに配置される２つの拡散領域と、ゲート電極下に配置されたチャネル領域とから構成されることが適当である。
【００２７】
本発明の半導体装置は、半導体層として半導体基板の上、好ましくは半導体基板内に形成された第１導電型のウェル領域の上に形成されることが好ましい。
【００２８】
半導体基板としては、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、シリコンゲルマニウム、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、ＧａＮ等の化合物半導体によるバルク基板が挙げられる。また、表面に半導体層を有するものとして、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ＳＯＳ基板又は多層ＳＯＩ基板等の種々の基板、ガラスやプラスチック基板上に半導体層を有するものを用いてもよい。なかでもシリコン基板又は表面にシリコン層が形成されたＳＯＩ基板等が好ましい。半導体基板又は半導体層は、内部を流れる電流量に多少が生ずるが、単結晶（例えば、エピタキシャル成長による）、多結晶又はアモルファスのいずれであってもよい。
【００２９】
この半導体層上には、素子分離領域が形成されていることが好ましく、さらにトランジスタ、キャパシタ、抵抗等の素子、これらによる回路、半導体装置や層間絶縁膜が組み合わせられて、シングル又はマルチレイヤー構造で形成されていてもよい。なお、素子分離領域は、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）膜、トレンチ酸化膜、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）膜等種々の素子分離膜により形成することができる。半導体層は、Ｐ型又はＮ型の導電型を有していてもよく、半導体層には、少なくとも１つの第１導電型（Ｐ型又はＮ型）のウェル領域が形成されていることが好ましい。半導体層及びウェル領域の不純物濃度は、当該分野で公知の範囲のものが使用できる。なお、半導体層としてＳＯＩ基板を用いる場合には、表面半導体層には、ウェル領域が形成されていてもよいが、チャネル領域下にボディ領域を有していてもよい。
【００３０】
ゲート絶縁膜は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜；酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜などの高誘電体膜の単層膜又は積層膜を使用することができる。なかでも、シリコン酸化膜が好ましい。ゲート絶縁膜は、例えば、１〜２０ｎｍ程度、好ましく１〜６ｎｍ程度の膜厚とすることが適当である。ゲート絶縁膜は、ゲート電極直下にのみ形成されていてもよいし、ゲート電極よりも大きく（幅広で）形成されていてもよい。
【００３１】
ゲート電極は、ゲート絶縁膜上に、通常半導体装置に使用されるような形状又は下端部に凹部を有した形状で形成されている。なお、ゲート電極は、単層又は多層の導電膜によって分離されることなく、一体形状として形成されていることが好ましいが、単層又は多層の導電膜によって、分離した状態で配置していてもよい。また、ゲート電極は、側壁に側壁絶縁膜を有していてもよい。ゲート電極は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、導電膜、例えば、ポリシリコン：銅、アルミニウム等の金属：タングステン、チタン、タンタル等の高融点金属：高融点金属とのシリサイド等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。ゲート電極の膜厚は、例えば５０〜４００ｎｍ程度の膜厚で形成することが適当である。なお、ゲート電極の下にはチャネル領域が形成されている。
【００３２】
なお、ゲート電極は、後述するメモリ機能体の側壁のみに形成されるか、あるいはメモリ機能体の上部を覆わないことが好ましい。このような配置により、コンタクトプラグをよりゲート電極と接近して配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。また、このような単純な配置を有するメモリ素子は製造が容易であり、歩留まりを向上することができる。
【００３３】
メモリ機能体は、少なくとも電荷を保持する機能（以下「電荷保持機能」と記す）を有する。言換えると、電荷を蓄え、保持するか、電荷をトラップするか、電荷分極状態を保持する機能を有する。この機能は、例えば、電荷保持機能を有する膜又は領域をメモリ機能体が含むことにより発揮される。この機能を果たすものとしては、シリコン窒化物；シリコン；リン、ボロン等の不純物を含むシリケートガラス；シリコンカーバイド；アルミナ；ハフニウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、タンタルオキサイド等の高誘電体；酸化亜鉛；強誘電体；金属等が挙げられる。したがって、メモリ機能体は、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁膜；導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁膜；導電体もしくは半導体ドットを１つ以上含む絶縁膜；電界により内部電荷が分極し、その状態が保持される強誘電体膜を含む絶縁膜等の単層又は積層構造によって形成することができる。なかでも、シリコン窒化膜は、電荷をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができ、また、電荷保持時間が長く、リークパスの発生による電荷漏れの問題が生じないため保持特性が良好であり、さらに、ＬＳＩプロセスではごく標準的に用いられる材料であるため、好ましい。
【００３４】
シリコン窒化膜などの電荷保持機能を有する膜を内部に含む絶縁膜をメモリ機能体として用いることにより、記憶保持に関する信頼性を高めることができる。シリコン窒化膜は絶縁体であるから、その一部に電荷のリークが生じた場合でも、直ちにシリコン窒化膜全体の電荷が失われることがないからである。また、複数のメモリ素子を配列する場合、メモリ素子間の距離が縮まって隣接するメモリ機能体が接触しても、メモリ機能体が導電体からなる場合のように夫々のメモリ機能体に記憶された情報が失われることがない。さらに、コンタクトプラグをよりメモリ機能体と接近して配置することができ、場合によってはメモリ機能体と重なるように配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。
【００３５】
なお、記憶保持に関する信頼性を高めるためには、電荷保持機能を有する膜は、必ずしも膜状である必要はなく、電荷保持機能を有する膜が絶縁膜中に離散的に存在することが好ましい。具体的には、電荷を保持しにくい材料、例えば、シリコン酸化物中にドット状に電荷保持機能を有する膜が分散していることが好ましい。
【００３６】
電荷保持膜として導電膜又は半導体層を用いる場合には、電荷保持膜が半導体層（半導体基板、ウェル領域、ボディ領域又はソース／ドレイン領域もしくは拡散領域）又はゲート電極と直接接触しないように、絶縁膜を介して配置させることが好ましい。例えば、導電膜と絶縁膜との積層構造、絶縁膜内に導電膜をドット状等に分散させた構造、ゲートの側壁に形成された側壁絶縁膜内の一部に配置した構造等が挙げられる。
【００３７】
導電膜又は半導体層を内部に含む絶縁膜をメモリ機能体として用いることにより、導電体又は半導体中への電荷の注入量を自由に制御でき、多値化しやすいため、好ましい。
【００３８】
さらに、導電体又は半導体ドットを１つ以上含む絶縁膜をメモリ機能体として用いることにより、電荷の直接トンネリングによる書込・消去が行ないやすくなり、低消費電力化することができ、好ましい。
【００３９】
また、メモリ機能体として、電界により分極方向が変化するＰＺＴ、ＰＬＺＴ等の強誘電体膜を用いてもよい。この場合、分極により強誘電体膜の表面に実質的に電荷が発生し、その状態で保持される。従って、メモリ機能を有する膜外から電荷を供給され、電荷をトラップする膜と同様なヒステリシス特性を得ることができ、かつ、強誘電体膜の電荷保持は、膜外からの電荷注入の必要がなく、膜内の電荷の分極のみによってヒステリシス特性を得ることができるため、高速に書込・消去ができ、好ましい。
【００４０】
なお、メモリ機能体を構成する絶縁膜としては、電荷を逃げにくくする領域又は電荷を逃げにくくする機能を有する膜であることが適当であり、この電荷を逃げにくくする機能を果たすものとしては、シリコン酸化膜等が挙げられる。
【００４１】
メモリ機能体に含まれる電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の両側に配置しており、また、直接、ゲート絶縁膜を介して半導体層（半導体基板、ウェル領域、ボディ領域又はソース／ドレイン領域もしくは拡散領域）上に配置している。ゲート電極の両側の電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の側壁の全て又は一部を覆うように形成されていることが好ましい。応用例としては、ゲート電極が下端部に凹部を有する場合には、直接又は絶縁膜を介して凹部を完全に又は凹部の一部を埋め込むように形成されていてもよい。
【００４２】
拡散領域は、ソース／ドレイン領域として機能させることができ、半導体層又はウェル領域と逆導電型を有する。拡散領域と半導体層又はウェル領域との接合は、不純物濃度が急峻であることが好ましい。ホットエレクトロンやホットホールが低電圧で効率良く発生し、より低電圧で高速な動作が可能となるからである。拡散領域の接合深さは、特に限定されるものではなく、得ようとする半導体記憶装置の性能等に応じて、適宜調整することができる。なお、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いる場合には、拡散領域は、表面半導体層の膜厚よりも小さな接合深さを有していてもよいが、表面半導体層の膜厚とほぼ同程度の接合深さを有していることが好ましい。
【００４３】
拡散領域は、ゲート電極端とオーバーラップするように配置していてもよいし、ゲート電極端と一致するように配置してもよいし、ゲート電極端に対してオフセットされて配置されていてもよい。特に、オフセットされている場合には、ゲート電極に電圧を印加したとき、電荷保持膜下のオフセット領域の反転しやすさが、メモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果の低減をもたらすため、好ましい。ただし、あまりオフセットしすぎると、拡散領域（ソース／ドレイン）間の駆動電流が著しく小さくなるため、ゲート長方向に対して平行方向の電荷保持膜の厚さよりもオフセット量、つまり、ゲート長方向における一方のゲート電極端から近い方の拡散領域までの距離は短い方が好ましい。特に重要なことは、メモリ機能体中の電荷保持機能を有する膜又は領域の少なくとも一部が、拡散領域の一部とオーバーラップしていることである。本発明の半導体記憶装置を構成するメモリ素子の本質は、メモリ機能体の側壁部にのみ存在するゲート電極と拡散領域間の電圧差により、メモリ機能体を横切る電界によって記憶を書き換えることであるためである。
【００４４】
拡散領域は、その一部が、チャネル領域表面、つまり、ゲート絶縁膜下面よりも高い位置に延設されていてもよい。この場合には、半導体基板内に形成された拡散領域上に、この拡散領域と一体化した導電膜が積層されて構成されていることが適当である。導電膜としては、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の半導体、シリサイド、上述した金属、高融点金属等が挙げられる。なかでも、ポリシリコンが好ましい。ポリシリコンは、不純物拡散速度が半導体層に比べて非常に大きいために、半導体層内における拡散領域の接合深さを浅くするのが容易で、短チャネル効果の抑制がしやすいためである。なお、この場合には、この拡散領域の一部は、ゲート電極とともに、メモリ機能体の少なくとも一部を挟持するように配置することが好ましい。
【００４５】
本発明のメモリ素子は、通常の半導体プロセスによって、例えば、ゲート電極の側壁に単層又は積層構造のサイドウォールスペーサを形成する方法と同様の方法によって形成することができる。具体的には、ゲート電極を形成した後、電荷保持機能を有する膜（以下「電荷保持膜」と記す）、電荷保持膜／絶縁膜、絶縁膜／電荷保持膜、絶縁膜／電荷保持膜／絶縁膜等の電荷保持膜を含む単層膜又は積層膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてこれらの膜をサイドウォールスペーサ状に残す方法；絶縁膜又は電荷保持膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残し、さらに電荷保持膜又は絶縁膜を形成し、同様にエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残す方法；粒子状の電荷保持材料を分散させた絶縁膜材料を、ゲート電極を含む半導体層上に塗布または堆積し、適当な条件下でエッチバックして、絶縁膜材料をサイドウォールスペーサ形状に残す方法；ゲート電極を形成した後、前記単層膜又は積層膜を形成し、マスクを用いてパターニングする方法等が挙げられる。また、ゲート電極を形成する前に、電荷保持膜、電荷保持膜／絶縁膜、絶縁膜／電荷保持膜、絶縁膜／電荷保持膜／絶縁膜等を形成し、これらの膜のチャネル領域となる領域に開口を形成し、その上全面にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜を、開口を含み、開口よりも大きな形状でパターニングする方法等が挙げられる。
【００４６】
このメモリ素子の形成方法の一例を説明する。
【００４７】
まず、公知の手順で、半導体基板上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。続いて、上記半導体基板上全面に、膜厚０．８〜２０ｎｍ、より好ましくは膜厚３〜１０ｎｍのシリコン酸化膜を、熱酸化法により形成し、又はＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により堆積する。次に、上記シリコン酸化膜上全面に、膜厚２〜１５ｎｍ、より好ましくは３〜１０ｎｍのシリコン窒化膜をＣＶＤ法により堆積する。更に、上記シリコン窒化膜上全面に、２０〜７０ｎｍのシリコン酸化膜をＣＶＤ法により堆積する。
【００４８】
続いて、異方性エッチングによりシリコン酸化膜／シリコン窒化膜／シリコン酸化膜をエッチングバックすることにより、記憶に最適なメモリ機能体を、ゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサ状に形成する。
【００４９】
その後、上記ゲート電極及びサイドウォールスペーサ状のメモリ機能体をマスクとしてイオン注入することにより、拡散層領域（ソース／ドレイン領域）を形成する。その後、公知の手順でシリサイド工程や上部配線工程を行なえばよい。
【００５０】
本発明のメモリ素子を配列してメモリセルアレイを構成した場合、メモリ素子の最良の形態は、例えば、（１）複数のメモリ素子のゲート電極が一体となってワード線の機能を有する、（２）上記ワード線の両側にはメモリ機能体が形成されている、（３）メモリ機能体内で電荷を保持するのは絶縁体、特にシリコン窒化膜である、（４）メモリ機能体はＯＮＯ（Ｏｘｉｄｅ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｏｘｉｄｅ）膜で構成されており、シリコン窒化膜はゲート絶縁膜の表面と略平行な表面を有している、（５）メモリ機能体中のシリコン窒化膜はワード線及びチャネル領域とシリコン酸化膜で隔てられている、（６）メモリ機能体内のシリコン窒化膜と拡散領域とがオーバーラップしている、（７）ゲート絶縁膜の表面と略平行な表面を有するシリコン窒化膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の厚さと、ゲート絶縁膜の厚さが異なる、（８）１個のメモリ素子の書込み及び消去動作は単一のワード線により行なう、（９）メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極（ワード線）がない、（１０）メモリ機能体の直下で拡散領域と接する部分に拡散領域の導電型と反対導電型の不純物濃度が濃い領域を有する、という要件の全てを満たすものである。ただし、これらの要件の１つでも満たすものであればよい。
【００５１】
上述した要件の特に好ましい組み合わせは、例えば、（３）メモリ機能体内で電荷を保持するのが絶縁体、特にシリコン窒化膜であり、（６）メモリ機能体内の絶縁膜（シリコン窒化膜）と拡散領域とがオーバーラップしており、（９）メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極（ワード線）がない場合である。
【００５２】
要件（３）及び要件（９）を満たす場合には、以下のように、非常に有用である。まず、ビット線コンタクトをワード線側壁のメモリ機能体と、より接近して配置することができ、又はメモリ素子間の距離が接近しても、複数のメモリ機能体が干渉せず、記憶情報を保持できる。したがって、メモリ素子の微細化が容易となる。なお、メモリ機能体内の電荷保持領域が導電体の場合、容量カップリングによりメモリ素子間が近づくにつれて電荷保持領域間で干渉が起き、記憶情報を保持できなくなる。
【００５３】
また、メモリ機能体内の電荷保持領域が絶縁体（例えば、シリコン窒化膜）である場合、メモリセル毎にメモリ機能体を独立させる必要がなくなる。例えば、複数のメモリセルで共有される１本のワード線の両側に形成されたメモリ機能体は、メモリセル毎に分離する必要が無く、１本のワード線の両側に形成されたメモリ機能体を、ワード線を共有する複数のメモリセルで共有することが可能となる。そのため、メモリ機能体を分離するフォト、エッチング工程が不要となり、製造工程が簡略化される。さらに、フォトリソグラフィ工程の位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが不要となるため、メモリセル間のマージンを縮小できる。したがって、メモリ機能体内の電荷保持領域が導電体（例えば、多結晶シリコン膜）である場合と比較して、同じ微細加工レベルで形成しても、メモリセル占有面積を微細化することができる。なお、メモリ機能体内の電荷保持領域が導電体である場合、メモリ機能体をメモリセル毎に分離するフォト、エッチング工程が必要となり、フォトの位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが必要となる。
【００５４】
さらに、メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がなく素子構造が単純であるから工程数が減少し、歩留まりを向上させることができる。したがって、論理回路やアナログ回路を構成するトランジスタとの混載を容易にすることができるとともに、安価な半導体記憶装置を得ることができる。
【００５５】
また、要件（３）及び（９）を満たす場合であって、さらに要件（６）を満たす場合には、より有用である。つまり、メモリ機能体内の電荷保持領域と拡散領域とをオーバーラップさせることにより、非常に低電圧で書込、消去が可能となる。具体的には、５Ｖ以下という低電圧により、書込み及び消去動作を行なうことができる。この作用は、回路設計上においても非常に大きな効果である。フラッシュメモリのような高電圧をチップ内で作る必要がなくなるため、莫大な占有面積が必要となるチャージポンピング回路を省略又は規模を小さくすることが可能となる。特に、小規模容量のメモリを調整用としてロジックＬＳＩに内蔵する場合、メモリ部の占有面積はメモリセルよりも、メモリセルを駆動する周辺回路の占有面積が支配的となるため、メモリセル用電圧昇圧回路を省略又は規模を小さくすることは、チップサイズを縮小させるためには最も効果的となる。
【００５６】
一方、要件（３）を満たさない場合、つまり、メモリ機能体内で電荷を保持するのが導電体である場合は、要件（６）を満たさない、つまり、メモリ機能体内の導電体と拡散領域がオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができる。これは、メモリ機能体内の導電体がゲート電極との容量カップリングにより書込み補助を行なうからである。
【００５７】
また、要件（９）を満たさない場合、つまり、メモリ機能体の上に書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がある場合は、要件（６）を満たさない、つまり、メモリ機能体内の絶縁体と拡散領域とがオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができる。
【００５８】
本発明の半導体記憶装置においては、メモリ素子は、その一方又は両方に、トランジスタが直列に接続していてもよいし、ロジックトランジスタと、同一のチップ上に混載されていてもよい。このような場合には、本発明の半導体装置、特にメモリ素子を、トランジスタ及びロジックトランジスタなどの通常の標準トランジスタの形成プロセスと非常に親和性が高い工程で形成することができるため、同時に形成することができる。したがって、メモリ素子とトランジスタ又はロジックトランジスタとを混載するプロセスは非常に簡便なものとなり、安価な混載装置を得ることができる。
【００５９】
本発明の半導体記憶装置は、メモリ素子が、１つのメモリ機能体に２値又はそれ以上の情報を記憶させることができ、これにより、４値又はそれ以上の情報を記憶するメモリ素子として機能させることができる。なお、メモリ素子は、２値の情報を記憶させるのみでもよい。また、メモリ素子を、メモリ機能体による可変抵抗効果により、選択トランジスタとメモリトランジスタとの機能を兼ね備えたメモリセルとしても機能させることができる。
【００６０】
本発明の半導体記憶装置は、論理素子又は論理回路等と組み合わせることにより、パーソナルコンピュータ、ノート、ラップトップ、パーソナル・アシスタント／発信機、ミニコンピュータ、ワークステーション、メインフレーム、マルチプロセッサー・コンピュータ又は他のすべての型のコンピュータシステム等のデータ処理システム；ＣＰＵ、メモリ、データ記憶装置等のデータ処理システムを構成する電子部品；電話、ＰＨＳ、モデム、ルータ等の通信機器；ディスプレイパネル、プロジェクタ等の画像表示機器；プリンタ、スキャナ、複写機等の事務機器；ビデオカメラ、デジタルカメラ等の撮像機器；ゲーム機、音楽プレーヤ等の娯楽機器；携帯情報端末、時計、電子辞書等の情報機器；カーナビゲーションシステム、カーオーディオ等の車載機器；動画、静止画、音楽等の情報を記録、再生するためのＡＶ機器；洗濯機、電子レンジ、冷蔵庫、炊飯器、食器洗い機、掃除機、エアコン等の電化製品；マッサージ器、体重計、血圧計等の健康管理機器；ＩＣカード、メモリカード等の携帯型記憶装置等の電子機器への幅広い応用が可能である。特に、携帯電話、携帯情報端末、ＩＣカード、メモリカード、携帯型コンピュータ、携帯型ゲーム機、デジタルカメラ、ポータブル動画プレーヤ、ポータブル音楽プレーヤ、電子辞書、時計等の携帯電子機器への応用が有効である。なお、本発明の半導体記憶装置は、電子機器の制御回路又はデータ記憶回路の少なくとも一部として内蔵されるか、あるいは必要に応じて着脱可能に組み込んでもよい。
【００６１】
以下に、本発明の半導体記憶装置又は携帯電子機器の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００６２】
（実施の形態１）
この実施の形態の半導体記憶装置は、図１に示すような、不揮発性メモリ素子の一例としてのメモリ素子１００１を備える。
【００６３】
メモリ素子１００１は、半導体基板１１０１表面に形成されたＰ型ウェル領域１１０２上にゲート絶縁膜１１０３を介してゲート電極１１０４が形成されている。ゲート電極１１０４の上面及び側面には、電荷を保持するトラップ準位を有し、電荷保持膜となるシリコン窒化膜１１０９が配置されており、シリコン窒化膜１１０９のなかでゲート電極１１０４の両側壁部分が、それぞれ実際に電荷を保持するメモリ機能体１１０５ａ、１１０５ｂとなっている。ここで、メモリ機能体とは、メモリ機能体又は電荷保持膜のうちで書換え動作により実際に電荷が蓄積される部分を指す。ゲート電極１１０４の両側であってＰ型ウェル領域１１０２内に、それぞれソース領域又はドレイン領域として機能するＮ型の拡散領域１１０７ａ、１１０７ｂが形成されている。拡散領域１１０７ａ、１１０７ｂは、オフセット構造を有している。すなわち、拡散領域１１０７ａ、１１０７ｂはゲート電極下の領域１１２１には達しておらず、電荷保持膜下のオフセット領域１１２０がチャネル領域の一部を構成している。
【００６４】
なお、実質的に電荷を保持するメモリ機能体１１０５ａ、１１０５ｂは、ゲート電極１１０４の両側壁部分である。したがって、この部分に対応する領域にのみに、シリコン窒化膜１１０９が形成されていればよい（図２（ａ）参照）。また、メモリ機能体１１０５ａ、１１０５ｂは、ナノメートルサイズの導電体又は半導体からなる微粒子１１１２が絶縁膜１１１１中に散点状に分布する構造を有していてもよい（図２（ｂ）参照）。このとき、微粒子１１１２が１ｎｍ未満であると、量子効果が大きすぎるためにドットに電荷がトンネルするのが困難になり、１０ｎｍを超えると室温では顕著な量子効果が現れなくなる。したがって、微粒子１１１２の直径は１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲にあることが好ましい。さらに、電荷保持膜となるシリコン窒化膜１１０９は、ゲート電極の側面においてサイドウォールスペーサ状に形成されていてもよい（図３参照）。
【００６５】
メモリ素子の書込み動作原理を、図３及び図４を用いて説明する。なお、ここではメモリ機能体１１３１ａ、１１３１ｂ全体が電荷を保持する機能を有する場合について説明する。また、書込みとは、メモリ素子がＮチャネル型である場合にはメモリ機能体１１３１ａ、１１３１ｂに電子を注入することを指す。以後、メモリ素子はＮチャネル型であるとして説明する。
【００６６】
第２のメモリ機能体１１３１ｂに電子を注入する（書込む）ためには、図３に示すように、Ｎ型の第１の拡散領域１１０７ａをソース電極に、Ｎ型の第２の拡散領域１１０７ｂをドレイン電極とする。例えば、第１の拡散領域１１０７ａ及びＰ型ウェル領域１１０２に０Ｖ、第２の拡散領域１１０７ｂに＋５Ｖ、ゲート電極１１０４に＋５Ｖを印加する。このような電圧条件によれば、反転層１２２６が、第１の拡散領域１１０７ａ（ソース電極）から伸びるが、第２の拡散領域１１０７ｂ（ドレイン電極）に達することなく、ピンチオフ点が発生する。電子は、ピンチオフ点から第２の拡散領域１１０７ｂ（ドレイン電極）まで高電界により加速され、いわゆるホットエレクトロン（高エネルギーの伝導電子）となる。このホットエレクトロンが第２のメモリ機能体１１３１ｂに注入されることにより書込みが行なわれる。なお、第１のメモリ機能体１１３１ａ近傍では、ホットエレクトロンが発生しないため、書込みは行なわれない。
【００６７】
一方、第１のメモリ機能体１１３１ａに電子を注入する（書込む）ためには、図４に示すように、第２の拡散領域１１０７ｂをソース電極に、第１の拡散領域１１０７ａをドレイン電極とする。例えば、第２の拡散領域１１０７ｂ及びＰ型ウェル領域１１０２に０Ｖ、第１の拡散領域１１０７ａに＋５Ｖ、ゲート電極１１０４に＋５Ｖを印加する。このように、第２のメモリ機能体１１３１ｂに電子を注入する場合とは、ソース／ドレイン領域を入れ替えることにより、第１のメモリ機能体１１３１ａに電子を注入して、書込みを行なうことができる。
【００６８】
次に、メモリ素子の消去動作原理を図５及び図６を用いて説明する。
【００６９】
第１のメモリ機能体１１３１ａに記憶された情報を消去する第１の方法では、図５に示すように、第１の拡散領域１１０７ａに正電圧（例えば、＋５Ｖ）、Ｐ型ウェル領域１１０２に０Ｖを印加して、第１の拡散領域１１０７ａとＰ型ウェル領域１１０２とのＰＮ接合に逆方向バイアスをかけ、さらにゲート電極１１０４に負電圧（例えば、−５Ｖ）を印加する。このとき、ＰＮ接合のうちゲート電極１１０４付近では、負電圧が印加されたゲート電極の影響により、特にポテンシャルの勾配が急になる。そのため、バンド間トンネルによりＰＮ接合のＰ型ウェル領域１１０２側にホットホール（高エネルギーの正孔）が発生する。このホットホールが負の電位をもつゲート電極１１０４方向に引きこまれ、その結果、第１のメモリ機能体１１３１ａにホール注入が行なわれる。このようにして、第１のメモリ機能体１１３１ａの消去が行なわれる。このとき第２の拡散領域１１０７ｂには０Ｖを印加すればよい。
【００７０】
第２のメモリ機能体１１３１ｂに記憶された情報を消去する場合は、上記において第１の拡散領域と第２の拡散領域との電位を入れ替えればよい。
【００７１】
第１のメモリ機能体１１３１ａに記憶された情報を消去する第２の方法では、図６に示すように、第１の拡散領域１１０７ａに正電圧（例えば、＋４Ｖ）、第２の拡散領域１１０７ｂに０Ｖ、ゲート電極１１０４に負電圧（例えば、−４Ｖ）、Ｐ型ウェル領域１１０２に正電圧（例えば、＋０．８Ｖ）を印加する。この際、Ｐ型ウェル領域１１０２と第２の拡散領域１１０７ｂとの間に順方向電圧が印加され、Ｐ型ウェル領域１１０２に電子が注入される。注入された電子は、Ｐ型ウェル領域１１０２と第１の拡散領域１１０７ａとのＰＮ接合まで拡散し、そこで強い電界により加速されてホットエレクトロンとなる。このホットエレクトロンは、ＰＮ接合において、電子−ホール対を発生させる。すなわち、Ｐ型ウェル領域１１０２と第２の拡散領域１１０７ｂとの間に順方向電圧を印加することにより、Ｐ型ウェル領域１１０２に注入された電子がトリガーとなって、反対側に位置するＰＮ接合でホットホールが発生する。ＰＮ接合で発生したホットホールは負の電位をもつゲート電極１１０４方向に引きこまれ、その結果、第１のメモリ機能体１１３１ａに正孔注入が行なわれる。
【００７２】
この方法によれば、Ｐ型ウェル領域と第１の拡散領域１１０７ａとのＰＮ接合において、バンド間トンネルによりホットホールが発生するに足りない電圧しか印加されない場合においても、第２の拡散領域１１０７ｂから注入された電子は、ＰＮ接合で電子−正孔対が発生するトリガーとなり、ホットホールを発生させることができる。したがって、消去動作時の電圧を低下させることができる。特に、オフセット領域１１２０（図１参照）が存在する場合は、負の電位が印加されたゲート電極によりＰＮ接合が急峻となる効果が少ない。そのため、バンド間トンネルによるホットホールの発生が難しいが、第２の方法はその欠点を補い、低電圧で消去動作を実現することができる。
【００７３】
なお、第１のメモリ機能体１１３１ａに記憶された情報を消去する場合、第１の消去方法では、第１の拡散領域１１０７ａに＋５Ｖを印加しなければならなかったが、第２の消去方法では、＋４Ｖで足りた。このように、第２の方法によれば、消去時の電圧を低減することができるので、消費電力が低減され、ホットキャリアによるメモリ素子の劣化を抑制することができる。
【００７４】
また、いずれの消去方法によっても、メモリ素子は過消去が起きにくい。ここで過消去とは、メモリ機能体に蓄積された正孔の量が増大するにつれ、飽和することなく閾値が低下していく現象である。フラッシュメモリを代表とするＥＥＰＲＯＭでは大きな問題となっており、特に閾値が負になった場合にメモリセルの選択が不可能になるという致命的な動作不良を生じる。一方、本発明の半導体記憶装置におけるメモリ素子では、メモリ機能体に大量の正孔が蓄積された場合においても、メモリ機能体下に電子が誘起されるのみで、ゲート絶縁膜下のチャネル領域のポテンシャルにはほとんど影響を与えない。消去時の閾値はゲート絶縁膜下のポテンシャルにより決まるので、過消去が起きにくくなる。
【００７５】
さらに、メモリ素子の読み出し動作原理を、図７を用いて説明する。
【００７６】
第１のメモリ機能体１１３１ａに記憶された情報を読み出す場合、第１の拡散領域１１０７ａをソース電極に、第２の拡散領域１１０７ｂをドレイン電極とし、トランジスタを動作させる。例えば、第１の拡散領域１１０７ａ及びＰ型ウェル領域１１０２に０Ｖ、第２の拡散領域１１０７ｂに＋１．８Ｖ、ゲート電極１１０４に＋２Ｖを印加する。この際、第１のメモリ機能体１１３１ａに電子が蓄積していない場合には、ドレイン電流が流れやすい。一方、第１のメモリ機能体１１３１ａに電子が蓄積している場合は、第１のメモリ機能体１１３１ａ近傍で反転層が形成されにくいので、ドレイン電流は流れにくい。したがって、ドレイン電流を検出することにより、第１のメモリ機能体１１３１ａの記憶情報を読み出すことができる。特に、ピンチオフ動作させるような電圧を与えて読み出す場合、１１３１ｂにおける電荷蓄積の有無に影響されることなく、第２のメモリ機能体１１３１ａにおける電荷蓄積の状態について、より高精度に判定することが可能となる。
【００７７】
第２のメモリ機能体１１３１ｂに記憶された情報を読み出す場合、第２の拡散領域１１０７ｂをソース電極に、第１の拡散領域１１０７ａをドレイン電極とし、トランジスタを動作させる。図示しないが、例えば、第２の拡散領域１１０７ｂ及びＰ型ウェル領域１１０２に０Ｖ、第１の拡散領域１１０７ａに＋１．８Ｖ、ゲート電極１１０４に＋２Ｖを印加すればよい。このように、第１のメモリ機能体１１３１ａに記憶された情報を読み出す場合とは、ソース／ドレイン領域を入れ替えることにより、第２のメモリ機能体１１３１ｂに記憶された情報の読出しを行なうことができる。
【００７８】
なお、ゲート電極１１０４で覆われないチャネル領域（オフセット領域１１２０）が残されている場合、ゲート電極１１０４で覆われないチャネル領域においては、メモリ機能体１１３１ａ、１１３１ｂの余剰電荷の有無によって反転層が消失又は形成され、その結果、大きなヒステリシス（閾値の変化）が得られる。ただし、オフセット領域１１２０の幅があまり大きいと、ドレイン電流が大きく減少し、読出し速度が大幅に遅くなる。したがって、十分なヒステリシスと読出し速度が得られるように、オフセット領域１１２０の幅を決定することが好ましい。
【００７９】
拡散領域１１０７ａ、１１０７ｂがゲート電極１１０４端に達している場合、つまり、拡散領域１１０７ａ、１１０７ｂとゲート電極１１０４とがオーバーラップしている場合であっても、書込み動作によりトランジスタの閾値はほとんど変わらなかったが、ソース／ドレイン端での寄生抵抗が大きく変わり、ドレイン電流は大きく減少（１桁以上）する。したがって、ドレイン電流の検出により読出しが可能であり、メモリとしての機能を得ることができる。ただし、より大きなメモリヒステリシス効果を必要とする場合、拡散領域１１０７ａ、１１０７ｂとゲート電極１１０４とがオーバーラップしていない（オフセット領域１１２０が存在する）ほうが好ましい。
【００８０】
以上の動作方法により、１トランジスタ当り選択的に２ビットの書込み及び消去が可能となる。また、メモリ素子のゲート電極１１０４にワード線ＷＬを、第１の拡散領域１１０７ａに第１のビット線ＢＬ１を、第２の拡散領域１１０７ｂに第２のビット線ＢＬ２をそれぞれ接続し、メモリ素子を配列することにより、メモリセルアレイを構成することができる。
【００８１】
また、上述した動作方法では、ソース電極とドレイン電極を入れ替えることによって１トランジスタ当り２ビットの書込み及び消去をさせているが、ソース電極とドレイン電極とを固定して１ビットメモリとして動作させてもよい。この場合ソース／ドレイン領域の一方を共通固定電圧とすることが可能となり、ソース／ドレイン領域に接続されるビット線の本数を半減することができる。
【００８２】
以上の説明から明らかなように、本発明の半導体記憶装置におけるメモリ素子では、メモリ機能体がゲート絶縁膜と独立して形成され、ゲート電極の両側に形成されているため、２ビット動作が可能である。また、各メモリ機能体はゲート電極により分離されているので、書換え時の干渉が効果的に抑制される。さらに、ゲート絶縁膜は、メモリ機能体とは分離されているので、薄膜化して短チャネル効果を抑制することができる。したがってメモリ素子、ひいては半導体記憶装置の微細化が容易となる。
【００８３】
また、図面の記載において、同一の材料及び物質を用いている部分においては、同一の符号を付しており、必ずしも同―の形状を示すものではない。
【００８４】
また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層や各部の厚みや大きさの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや大きさの寸法は、以下の説明を斟酌して判断すべきものである。また図面相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００８５】
また、本特許に記載の各層や各部の厚みや大きさは、特に説明がない場合は、半導体装置の形成を完了した段階での最終形状の寸法である。よって、膜や不純物領域等を形成した直後の寸法と比較して最終形状の寸法は、後の工程の熱履歴等によって多少変化することに留意すべきである。
【００８６】
（実施の形態２）
この実施の形態の半導体記憶装置におけるメモリ素子は、図８に示すように、メモリ機能体１２６１、１２６２が電荷を保持する領域（電荷を蓄える領域であって、電荷を保持する機能を有する膜であってもよい）と、電荷を逃げにくくする領域（電荷を逃げにくくする機能を有する膜であってもよい）とから構成される以外は、図１のメモリ素子１００１と実質的に同様の構成である。
【００８７】
メモリ機能体は、メモリの保持特性を向上させる観点から、電荷を保持する機能を有する電荷保持膜と絶縁膜とを含んでいるのが好ましい。この実施の形態では、電荷保持膜として電荷をトラップする準位を有するシリコン窒化膜１２４２、絶縁膜として電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸を防ぐ働きのあるシリコン酸化膜１２４１、１２４３を用いている。メモリ機能体が電荷保持膜と絶縁膜とを含むことにより電荷の散逸を防いで保持特性を向上させることができる。また、メモリ機能体が電荷保持膜のみで構成される場合に比べて電荷保持膜の体積を適度に小さくすることができ、電荷保持膜内での電荷の移動を制限して、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。さらに、シリコン窒化膜１２４２がシリコン酸化膜１２４１、１２４３で挟まれた構造とすることにより、書換え動作時の電荷注入効率が高くなり、より高速な動作が可能となる。なお、このメモリ素子においては、シリコン窒化膜１２４２を強誘電体で置き換えてもよい。
【００８８】
また、メモリ機能体１２６１、１２６２における電荷を保持する領域（シリコン窒化膜１２４２）は、拡散領域１２１２、１２１３とそれぞれオーバーラップしている。ここで、オーバーラップするとは、拡散領域１２１２、１２１３の少なくとも一部の領域上に、電荷を保持する領域（シリコン窒化膜１２４２）の少なくとも一部が存在することを意味する。なお、１２１１は半導体基板、１２１４はゲート絶縁膜、１２７１はゲート電極１２１７と拡散領域１２１２、１２１３とのオフセット領域である。図示しないが、ゲート絶縁膜１２１４下であって半導体基板１２１１の最表面はチャネル領域となる。
【００８９】
メモリ機能体１２６１、１２６２における電荷を保持する領域であるシリコン窒化膜１２４２と拡散領域１２１２、１２１３とがオーバーラップすることによる効果を説明する。
【００９０】
図９に示したように、メモリ機能体１２６２周辺部において、ゲート電極１２１７と拡散領域１２１３とのオフセット量をＷ１とし、ゲート電極１２１７のチャネル長方向の切断面におけるメモリ機能体１２６２の幅をＷ２とすると、メモリ機能体１２６２と拡散領域１２１３とのオーバーラップ量は、Ｗ２−Ｗ１で表される。ここで重要なことは、メモリ機能体１２６２のうちシリコン窒化膜１２４２で構成されたメモリ機能体１２６２が、拡散領域１２１３とオーバーラップする、つまり、Ｗ２＞Ｗ１なる関係を満たすことである。
【００９１】
図９では、メモリ機能体１２６２のうち、シリコン窒化膜１２４２のゲート電極１２１７と離れた側の端が、ゲート電極１２１７から離れた側のメモリ機能体１２６２の端と一致しているため、メモリ機能体１２６２の幅をＷ２として定義した。
【００９２】
なお、図１０に示すように、メモリ機能体１２６２ａのうちシリコン窒化膜１２４２ａのゲート電極１２１７ａと離れた側の端が、ゲート電極１２１７ａから離れた側のメモリ機能体１２６２ａの端と一致していない場合は、Ｗ２をゲート電極端からシリコン窒化膜１２４２ａのゲート電極１２１７ａと遠い側の端までと定義すればよい。
【００９３】
図１１は、図９のメモリ素子の構造において、メモリ機能体１２６２の幅Ｗ２を１００ｎｍに固定し、オフセット量Ｗ１を変化させたときのドレイン電流Ｉｄを示している。ここで、ドレイン電流は、メモリ機能体１２６２を消去状態（ホールが蓄積されている）とし、拡散領域１２１２、１２１３をそれぞれソース電極、ドレイン電極として、デバイスシミュレーションにより求めた。図１１から明らかなように、Ｗ１が１００ｎｍ以上（すなわち、シリコン窒化膜１２４２と拡散領域１２１３とがオーバーラップしない）では、ドレイン電流が急速に減少している。ドレイン電流値は、読出し動作速度にほぼ比例するので、Ｗ１が１００ｎｍ以上ではメモリの性能は急速に劣化する。一方、シリコン窒化膜１２４２と拡散領域１２１３とがオーバーラップする範囲においては、ドレイン電流の減少は緩やかである。したがって、量産製造においてばらつきも考慮した場合、電荷を保持する機能を有する膜であるシリコン窒化膜１２４２の少なくとも一部とソース／ドレイン領域とがオーバーラップしなければ、事実上メモリ機能を得ることが困難である。
【００９４】
上述したデバイスシミュレーションの結果を踏まえて、Ｗ２を１００ｎｍ固定とし、Ｗ１を設計値として６０ｎｍ及び１００ｎｍとして、メモリセルアレイを作製した。Ｗ１が６０ｎｍの場合、シリコン窒化膜１４２と拡散領域１２１２、１２１３とは設計値として４０ｎｍオーバーラップし、Ｗ１が１００ｎｍの場合、設計値としてオーバーラップしない。これらのメモリセルアレイの読出し時間を測定した結果、ばらつきを考慮したワーストケースで比較して、Ｗ１を設計値として６０ｎｍとした場合の方が、読出しアクセス時間で１００倍高速であった。実用上、読み出しアクセス時間は１ビットあたり１００ナノ秒以下であることが好ましいが、Ｗ１＝Ｗ２では、この条件を到底達成できない。また、製造ばらつきまで考慮した場合、（Ｗ２−Ｗ１）＞１０ｎｍであることがより好ましい。
【００９５】
メモリ機能体１２６１（領域１２８１）に記憶された情報の読み出しは、実施の形態１と同様に、拡散領域１２１２をソース電極とし、拡散領域１２１３をドレイン領域としてチャネル領域中のドレイン領域に近い側にピンチオフ点を形成するのが好ましい。すなわち、２つのメモリ機能体のうち一方に記憶された情報を読み出す時に、ピンチオフ点をチャネル領域内であって、他方のメモリ機能体に近い領域に形成させるのが好ましい。これにより、メモリ機能体１２６２の記憶状況の如何にかかわらず、メモリ機能体１２６１の記憶情報を感度よく検出することができ、２ビット動作を可能にする大きな要因となる。
【００９６】
一方、２つのメモリ機能体の片側のみに情報を記憶させる場合又は２つのメモリ機能体を同じ記憶状態にして使用する場合には、読出し時に必ずしもピンチオフ点を形成しなくてもよい。
【００９７】
なお、図８には図示していないが、半導体基板１２１１の表面にウェル領域（Ｎチャネル素子の場合はＰ型ウェル）を形成することが好ましい。ウェル領域を形成することにより、チャネル領域の不純物濃度をメモリ動作（書換え動作及び読出し動作）に最適にしつつ、その他の電気特性（耐圧、接合容量、短チャネル効果）を制御するのが容易になる。
【００９８】
また、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行に配置される電荷保持膜を含むことが好ましい。いいかえると、メモリ機能体における電荷保持膜の上面が、ゲート絶縁膜上面から等しい距離に位置するように配置されることが好ましい。具体的には、図１２に示したように、メモリ機能体１２６２の電荷保持膜であるシリコン窒化膜１２４２ａが、ゲート絶縁膜１２１４表面と略平行な面を有している。言い換えると、シリコン窒化膜１２４２ａは、ゲート絶縁膜１２１４表面に対応する高さから、均一な高さに形成されることが好ましい。
【００９９】
メモリ機能体１２６２中に、ゲート絶縁膜１２１４表面と略平行なシリコン窒化膜１２４２ａがあることにより、シリコン窒化膜１２４２ａに蓄積された電荷の多寡によりオフセット領域１２７１での反転層の形成されやすさを効果的に制御することができ、ひいてはメモリ効果を大きくすることができる。また、シリコン窒化膜１２４２ａをゲート絶縁膜１２１４の表面と略平行とすることにより、オフセット量（Ｗ１）がばらついた場合でもメモリ効果の変化を比較的小さく保つことができ、メモリ効果のばらつきを抑制することができる。しかも、シリコン窒化膜１２４２ａ上部方向への電荷の移動が抑制され、記憶保持中に電荷移動による特性変化が起こるのを抑制することができる。
【０１００】
さらに、メモリ機能体１２６２は、ゲート絶縁膜１２１４の表面と略平行なシリコン窒化膜１２４２ａとチャネル領域（又はウェル領域）とを隔てる絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜１２４４のうちオフセット領域１２７１上の部分）を含むことが好ましい。この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性の良いメモリ素子を得ることができる。
【０１０１】
なお、シリコン窒化膜１２４２ａの膜厚を制御すると共に、シリコン窒化膜１２４２ａ下の絶縁膜（シリコン酸化膜１２４４のうちオフセット領域１２７１上の部分）の膜厚を一定に制御することにより、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を概ね一定に保つことが可能となる。つまり、半導体基板表面から電荷保持膜中に蓄えられる電荷までの距離を、シリコン窒化膜１２４２ａ下の絶縁膜の最小膜厚値から、シリコン窒化膜１２４２ａ下の絶縁膜の最大膜厚値とシリコン窒化膜１２４２ａの最大膜厚値との和までの間に制御することができる。これにより、シリコン窒化膜１２４２ａに蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することが可能となり、メモリ素子のメモリ効果の大きさばらつきを非常に小さくすることが可能となる。
【０１０２】
（実施の形態３）
この実施の形態の半導体記憶装置におけるメモリ機能体１２６２は、電荷保持膜であるシリコン窒化膜１２４２が、図１３に示すように、略均一な膜厚で、ゲート絶縁膜１２１４の表面と略平行に配置され（領域１２８１）、さらに、ゲート電極１２１７側面と略平行に配置された（領域１２８２）形状を有している。
【０１０３】
ゲート電極１２１７に正電圧が印加された場合には、メモリ機能体１２６２中での電気力線２８３は矢印で示すように、シリコン窒化膜１２４２を２回（領域１２８２及び領域１２８１部分）通過する。なお、ゲート電極１２１７に負電圧が印加された時は電気力線の向きは反対側となる。ここで、シリコン窒化膜１２４２の比誘電率は約６であり、シリコン酸化膜１２４１、１２４３の比誘電率は約４である。したがって、電荷保持膜の領域１２８１のみが存在する場合よりも、電気力線１２８３方向におけるメモリ機能体１２６２の実効的な比誘電率が大きくなり、電気力線の両端での電位差をより小さくすることができる。すなわち、ゲート電極１２１７に印加された電圧の多くの部分が、オフセット領域１２７１における電界を強くするために使われることになる。
【０１０４】
書換え動作時に電荷がシリコン窒化膜１２４２に注入されるのは、発生した電荷がオフセット領域１２７１における電界により引き込まれるためである。したがって、シリコン窒化膜１２４２が領域１２８２を含むことにより、書換え動作時にメモリ機能体１２６２に注入される電荷が増加し、書換え速度が増大する。
【０１０５】
なお、シリコン酸化膜１２４３の部分もシリコン窒化膜であった場合、つまり、電荷保持膜がゲート絶縁膜１２１４の表面に対応する高さに対して均一でない場合、シリコン窒化膜の上方向への電荷の移動が顕著になって、保持特性が悪化する。
【０１０６】
電荷保持膜は、シリコン窒化膜に代えて、比誘電率が非常に大きい酸化ハフニウムなどの高誘電体により形成されることがより好ましい。
【０１０７】
さらに、メモリ機能体は、ゲート絶縁膜表面と略平行な電荷保持膜とチャネル領域（またはウェル領域）とを隔てる絶縁膜（シリコン酸化膜１２４１のうちオフセット領域１２７１上の部分）をさらに含むことが好ましい。この絶縁膜により、電荷保持膜に蓄積された電荷の散逸が抑制され、さらに保持特性を向上させることができる。
【０１０８】
また、メモリ機能体は、ゲート電極と、ゲート電極側面と略平行な向きに延びた電荷保持膜とを隔てる絶縁膜（シリコン酸化膜１２４１のうちゲート電極１２１７に接した部分）をさらに含むことが好ましい。この絶縁膜により、ゲート電極から電荷保持膜へ電荷が注入されて電気的特性が変化することを防止し、メモリ素子の信頼性を向上させることができる。
【０１０９】
さらに、実施の形態２と同様に、シリコン窒化膜１２４２下の絶縁膜（シリコン酸化膜１２４１のうちオフセット領域１２７１上の部分）の膜厚を一定に制御すること、さらにゲート電極側面上に配置する絶縁膜（シリコン酸化膜１２４１のうちゲート電極１２１７に接した部分）の膜厚を一定に制御することが好ましい。これにより、シリコン窒化膜１２４２に蓄えられた電荷により発生する電気力線の密度を概ね制御することができるとともに、電荷リークを防止することができる。
【０１１０】
（実施の形態４）
この実施の形態では、半導体記憶装置におけるメモリ素子のゲート電極、メモリ機能体及びソース／ドレイン領域間距離の最適化について説明する。
【０１１１】
図１４に示したように、Ａはチャネル長方向の切断面におけるゲート電極長、Ｂはソース／ドレイン領域間の距離（チャネル長）、Ｃは一方のメモリ機能体の端から他方のメモリ機能体の端までの距離、つまり、チャネル長方向の切断面における一方のメモリ機能体内の電荷を保持する機能を有する膜の端（ゲート電極と離れている側）から他方のメモリ機能体内の電荷を保持する機能を有する膜の端（ゲート電極と離れている側）までの距離を示す。
【０１１２】
このようなメモリ素子では、Ｂ＜Ｃであることが好ましい。このような関係を満たすことにより、チャネル領域のうちゲート電極１２１７下の部分と拡散領域１２１２、１２１３との間にはオフセット領域１２７１が存在することとなる。これにより、メモリ機能体１２６１、１２６２（シリコン窒化膜１２４２）に蓄積された電荷により、オフセット領域１２７１の全領域において、反転の容易性が効果的に変動する。したがって、メモリ効果が増大し、特に読出し動作の高速化が実現する。
【０１１３】
また、ゲート電極１２１７と拡散領域１２１２、１２１３がオフセットしている場合、つまり、Ａ＜Ｂが成立する場合には、ゲート電極に電圧を印加したときのオフセット領域の反転のしやすさがメモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果を低減することができる。
【０１１４】
ただし、メモリ効果が発現する限りにおいては、必ずしもオフセット領域１２７１が存在しなくてもよい。オフセット領域１２７１が存在しない場合においても、拡散領域１２１２、１２１３の不純物濃度が十分に薄ければ、メモリ機能体１２６１、１２６２（シリコン窒化膜１２４２）においてメモリ効果が発現し得る。
【０１１５】
このようなことから、Ａ＜Ｂ＜Ｃであるのが最も好ましい。
【０１１６】
（実施の形態５）
この実施の形態における半導体記憶装置のメモリ素子は、図１５に示すように、実施の形態２における半導体基板をＳＯＩ基板とする以外は、実質的に同様の構成を有する。
【０１１７】
このメモリ素子は、半導体基板１２８６上に埋め込み酸化膜１２８８が形成され、さらにその上にＳＯＩ層が形成されている。ＳＯＩ層内には拡散領域１２１２、１２１３が形成され、それ以外の領域はボディ領域１２８７となっている。
【０１１８】
このメモリ素子によっても、実施の形態２のメモリ素子と同様の作用効果を奏する。さらに、拡散領域１２１２、１２１３とボディ領域１２８７との接合容量を著しく小さくすることができるので、素子の高速化や低消費電力化が可能となる。
【０１１９】
（実施の形態６）
この実施の形態の半導体記憶装置におけるメモリ素子は、図１６に示すように、Ｎ型の拡散領域１２１２、１２１３のチャネル側に隣接して、Ｐ型高濃度領域１２９１を追加した以外は、実施の形態２のメモリ素子と実質的に同様の構成を有する。
【０１２０】
すなわち、Ｐ型高濃度領域１２９１におけるＰ型を与える不純物（例えばボロン）濃度が、領域１２９２におけるＰ型を与える不純物濃度より高い。Ｐ型高濃度領域１２９１におけるＰ型の不純物濃度は、例えば、５×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３程度が適当である。また、領域１２９２のＰ型の不純物濃度は、例えば、５×１０１６〜１×１０１８ｃｍ−３とすることができる。
【０１２１】
このように、Ｐ型高濃度領域１２９１を設けることにより、拡散領域１２１２、１２１３と半導体基板１２１１との接合が、メモリ機能体１２６１、１２６２の直下で急峻となる。そのため、書込み及び消去動作時にホットキャリアが発生し易くなり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、あるいは書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となる。さらに、領域１２９２の不純物濃度は比較的薄いので、メモリが消去状態にあるときの閾値が低く、ドレイン電流は大きくなる。そのため、読出し速度が向上する。したがって、書換え電圧が低く又は書換え速度が高速で、かつ、読出し速度が高速なメモリ素子を得ることができる。
【０１２２】
また、図１６において、ソース／ドレイン領域近傍であってメモリ機能体の下（すなわち、ゲート電極の直下ではない）において、Ｐ型高濃度領域１２９１を設けることにより、トランジスタ全体としての閾値は著しく上昇する。この上昇の程度は、Ｐ型高濃度領域１２９１がゲート電極の直下にある場合に比べて著しく大きい。メモリ機能体に書込み電荷（トランジスタがＮチャネル型の場合は電子）が蓄積した場合は、この差がいっそう大きくなる。一方、メモリ機能体に十分な消去電荷（トランジスタがＮチャネル型の場合は正孔）が蓄積された場合は、トランジスタ全体としての閾値は、ゲート電極下のチャネル領域（領域１２９２）の不純物濃度で決まる閾値まで低下する。すなわち、消去時の閾値は、Ｐ型高濃度領域１２９１の不純物濃度には依存せず、一方で、書込み時の閾値は非常に大きな影響を受ける。よって、Ｐ型高濃度領域１２９１をメモリ機能体の下であってソース／ドレイン領域近傍に配置することにより、書込み時の閾値のみが非常に大きく変動し、メモリ効果（書込み時と消去時での閾値の差）を著しく増大させることができる。
【０１２３】
（実施の形態７）
この実施の形態の半導体記憶装置におけるメモリ素子は、図１７に示すように、電荷保持膜（シリコン窒化膜１２４２）とチャネル領域又はウェル領域１２１１とを隔てる絶縁膜１２４１の厚さ（Ｔ１）が、ゲート絶縁膜１２１４の厚さ（Ｔ２）よりも薄いこと以外は、実施の形態２と実質的に同様の構成を有する。
【０１２４】
上記ゲート絶縁膜１２１４は、メモリの書換え動作時における耐圧の要請から、その厚さＴ２には下限値が存在する。しかし、上記絶縁膜１２４１の厚さＴ１は、耐圧の要請にかかわらず、Ｔ２よりも薄くすることが可能である。
【０１２５】
このメモリ素子において、上述のようにＴ１に対する設計の自由度が高いのは以下の理由による。
【０１２６】
つまり、このメモリ素子においては、上記電荷保持膜１２４２と、チャネル領域又はウェル領域１２１１とを隔てる絶縁膜１２４１は、ゲート電極１２１７と、チャネル領域又はウェル領域１２１１とに挟まれていない。そのため、上記電荷保持膜１２４２と、チャネル領域又はウェル領域１２１１とを隔てる上記絶縁膜１２４１には、ゲート電極１２１７と、チャネル領域又はウェル領域１２１１間に働く高電界が直接作用せず、ゲート電極１２１７から横方向に広がる比較的弱い電界が作用する。そのため、上記絶縁膜１２４１に対する耐圧の要請にかかわらず、Ｔ１をＴ２より薄くすることが可能になる。Ｔ１を薄くすることにより、メモリ機能体１２６１，１２６２への電荷の注入が容易になり、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にすることが可能となり、また、シリコン窒化膜１２４２に電荷が蓄積された時にチャネル領域又はウェル領域１２１１に誘起される電荷量が増えるため、メモリ効果を増大させることができる。
【０１２７】
ところで、メモリ機能体中での電気力線は、図１３の矢印１２８４で示すように、シリコン窒化膜１２４２を通過しない短いものもある。このような短い電気力線上では比較的電界強度が大きいので、この電気力線に沿った電界は書換え動作時においては大きな役割を果たしている。Ｔ１を薄くすることによりシリコン窒化膜１２４２が図の下側に移動し、矢印１２８３で示す電気力線がシリコン窒化膜を通過するようになる。それゆえ、矢印１２８４方向の電気力線に沿ったメモリ機能体中の実効的な比誘電率が大きくなり、電気力線の両端での電位差をより小さくすることができる。したがって、ゲート電極１２１７に印加された電圧の多くの部分が、オフセット領域における電界を強くするために使われ、書込み動作及び消去動作が高速になる。
【０１２８】
これに対して、例えば、フラッシュメモリに代表されるＥＥＰＲＯＭにおいては、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜は、ゲート電極（コントロールゲート）とチャネル領域又はウェル領域に挟まれているので、ゲート電極からの高電界が直接作用する。それゆえ、ＥＥＰＲＯＭにおいては、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さが制限され、メモリ素子の機能の最適化が阻害される。
【０１２９】
以上より明らかなように、Ｔ１＜Ｔ２とすることにより、メモリの耐圧性能を低下させることなく、書込み動作及び消去動作の電圧を低下させ、又は書込み動作及び消去動作を高速にし、さらにメモリ効果を増大することが可能となる。なお、絶縁膜の厚さＴ１は、製造プロセスによる均一性や膜質が一定の水準を維持することが可能であり、かつ保持特性が極端に劣化しない限界となる０．８ｎｍ以上であることがより好ましい。
【０１３０】
具体的には、デザインルールの大きな高耐圧が必要とされる液晶ドライバＬＳＩのような場合、液晶パネルＴＦＴを駆動するために、最大１５〜１８Ｖの電圧が必要となる。このため、通常、ゲート酸化膜を薄膜化することができない。液晶ドライバＬＳＩに画像調整用として本発明の不揮発性メモリを混載する場合、本発明のメモリ素子ではゲート絶縁膜厚とは独立して電荷保持膜（シリコン窒化膜１２４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さを最適に設計できる。例えば、ゲート電極長（ワード線幅）２５０ｎｍのメモリセルに対して、Ｔ１＝２０ｎｍ、Ｔ２＝１０ｎｍで個別に設定でき、書込み効率の良いメモリセルを実現できる。（Ｔ１が通常のロジックトランジスタよりも厚くても短チャネル効果が発生しない理由はゲート電極に対して、ソース・ドレイン領域がオフセットしているためである）。
【０１３１】
（実施の形態８）
この実施の形態の半導体記憶装置におけるメモリ素子は、図１８に示すように、電荷保持膜（シリコン窒化膜１２４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さ（Ｔ１）が、ゲート絶縁膜の厚さ（Ｔ２）よりも厚いこと以外は、実施の形態２と実質的に同様の構成を有する。
【０１３２】
ゲート絶縁膜１２１４は、素子の短チャネル効果防止の要請から、その厚さＴ２には上限値が存在する。しかし、絶縁膜の厚さＴ１は、短チャネル効果防止の要請かかわらず、Ｔ２よりも厚くすることが可能である。すなわち、微細化スケーリングが進んだとき（ゲート絶縁膜の薄膜化が進行したとき）にゲート絶縁膜厚とは独立して電荷保持膜（シリコン窒化膜１２４２）とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さを最適に設計できるため、メモリ機能体がスケーリングの障害にならないという効果を奏する。
【０１３３】
このメモリ素子において、上述のようにＴ１に対する設計の自由度が高い理由は、既に述べた通り、電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜が、ゲート電極とチャネル領域又はウェル領域とに挟まれていないことによる。そのため、ゲート絶縁膜に対する短チャネル効果防止の要請にかかわらず、Ｔ１をＴ２より厚くすることが可能になる。
【０１３４】
Ｔ１を厚くすることにより、メモリ機能体に蓄積された電荷が散逸するのを防ぎ、メモリの保持特性を改善することが可能となる。
【０１３５】
したがって、Ｔ１＞Ｔ２とすることにより、メモリの短チャネル効果を悪化させることなく保持特性を改善することが可能となる。
【０１３６】
なお、絶縁膜の厚さＴ１は、書換え速度の低下を考慮して、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【０１３７】
具体的には、フラッシュメモリに代表される従来の不揮発性メモリは、選択ゲート電極が書込み消去ゲート電極を構成し、上記書込み消去ゲート電極に対応するゲート絶縁膜（フローティングゲートを内包する）が電荷蓄積膜を兼用している。このため、微細化（短チャネル効果抑制のため薄膜化が必須）の要求と、信頼性確保（保持電荷のリーク抑制のため、フローティングゲートとチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜の厚さは７ｎｍ程度以下には薄膜化できない）の要求が相反するため、微細化が困難となる。実際、ＩＴＲＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｏａｄｍａｐ  ｆｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）によれば、物理ゲート長の微細化は０．２ミクロン程度以下に対して目処が立っていない。このメモリ素子では、上述したようにＴ１とＴ２を個別に設計できることにより、微細化が可能となる。
【０１３８】
例えば、ゲート電極長（ワード線幅）４５ｎｍのメモリセルに対して、Ｔ２＝４ｎｍ、Ｔ１＝７ｎｍで個別に設定し、短チャネル効果の発生しないメモリ素子を実現することができる。Ｔ２を通常のロジックトランジスタよりも厚く設定しても短チャネル効果が発生しない理由は、ゲート電極に対して、ソース／ドレイン領域がオフセットしているためである。
【０１３９】
また、このメモリ素子は、ゲート電極に対して、ソース／ドレイン領域がオフセットしているため、通常のロジックトランジスタと比較してもさらに微細化を容易にする。
【０１４０】
つまり、メモリ機能体の上部に書込、消去を補助する電極が存在しないため、電荷保持膜とチャネル領域又はウェル領域とを隔てる絶縁膜には、書込、消去を補助する電極とチャネル領域又はウェル領域間に働く高電界が直接作用せず、ゲート電極から横方向に広がる比較的弱い電界が作用するのみである。そのため、同じ加工世代に対してロジックトランジスタのゲート長と同程度以上に微細化されたゲート長を保有するメモリ素子を実現することができる。
【０１４１】
（実施の形態９）
この実施の形態は、半導体記憶装置のメモリ素子の書換えを行ったときの電気特性の変化に関する。
【０１４２】
Ｎチャネル型メモリ素子において、メモリ機能体中の電荷量が変化したとき、図１９に示すような、ドレイン電流（Ｉｄ）対ゲート電圧（Ｖｇ）特性（実測値）を示す。
【０１４３】
図１９から明らかなように、消去状態（実線）から書込み動作を行った場合、単純に閾値が上昇するのみならず、特にサブスレッショルド領域においてグラフの傾きが顕著に減少している。そのため、ゲート電圧（Ｖｇ）が比較的高い領域においても、消去状態と書込み状態でのドレイン電流比が大きくなる。例えば、Ｖｇ＝２．５Ｖにおいても、電流比は２桁以上を保っている。この特性は、フラッシュメモリの場合（図２７）と大きく異なる。
【０１４４】
このような特性の出現は、ゲート電極と拡散領域とがオフセットし、ゲート電界がオフセット領域に及びにくいために起こる特有な現象である。メモリ素子が書込み状態にあるときには、ゲート電極に正電圧を加えてもメモリ機能体下のオフセット領域には反転層が極めてできにくい状態になっている。これが、書込み状態においてサブスレッショルド領域でのＩｄ−Ｖｇ曲線の傾きが小さくなる原因となっている。
【０１４５】
一方、メモリ素子が消去状態にあるときには、オフセット領域には高密度の電子が誘起されている。さらに、ゲート電極に０Ｖが印加されているとき（すなわちオフ状態にあるとき）は、ゲート電極下のチャネルには電子が誘起されない（そのためオフ電流が小さい）。これが、消去状態においてサブスレッショルド領域でのＩｄ−Ｖｇ曲線の傾きが大きく、かつ閾値以上の領域でも電流の増加率（コンダクタンス）が大きい原因となっている。
【０１４６】
以上のことから明らかなように、本発明の半導体記憶素子を構成するメモリ素子は、書込み時と消去時のドレイン電流比を特に大きくすることができる。
【０１４７】
（実施の形態１０）
この実施の形態では、上記実施の形態１〜８のメモリ素子をメモリセルとして用いたメモリセルアレイを備えた半導体記憶装置について説明する。
【０１４８】
図２０は、本発明の実施形態の半導体記憶装置を示すブロック図である。本実施形態の半導体記憶装置は、制御回路１００、電圧供給回路１０１、電圧極性反転回路１１１、第１電圧値検出回路としての５Ｖ電圧レベル電圧値検出回路１０３、第２電圧値検出回路としての−５Ｖ電圧レベル検出回路１１０、接続選択回路１０５、およびメモリセルアレイ１０２を備える。
【０１４９】
この半導体記憶装置は、上記電圧供給回路１０１によって５Ｖの電源電圧を生成すると共に、この電源電圧の極性を上記電圧極性反転回路１１１によって反転して−５Ｖの電圧を生成する。これによって、上記電圧供給回路１０１からの電圧と、上記電圧極性反転回路１１１からの電圧とによって１０Ｖの電位差を得ている。
【０１５０】
上記５Ｖおよび−５Ｖの電圧レベル検出回路１０３，１１０によって検出された検出値は、上記制御回路１００へ送られる。この制御回路１００は、上記検出値に応じた信号を上記接続選択回路１０５に送る。この接続選択回路１０５は、上記制御回路１００からの信号に応じて、上記電圧供給回路１０１および上記電圧極性反転回路１１１と、上記メモリセルアレイ１０２が有するワード線、ビット線、および、ソース線とを接続する。これによって、上記メモリセルアレイ１０２に関するデータの書き込み、消去、および、読出し等の操作モードに応じて、必要な値の電圧を、上記メモリセルアレイ中の適切な不揮発性メモリ素子に供給するようになっている。
【０１５１】
上記接続選択回路１０５は、上記電圧極性反転回路１１１が有する電界効果トランジスタよりも閾値電圧が低い低閾値の電界効果トランジスタを用いて形成している。これによって、上記電圧極性反転回路１１１を上記メモリセルアレイ１０２に接続する際の電圧降下を低減して、上記電圧極性反転回路１１１からの電圧を、その電圧値を十分に保持してメモリセルアレイ１０２に供給することができる。例えば、上記電圧の供給側のノードをドレイン電極に、上記制御装置１００からの制御信号が導かれるノードをゲート電極に、上記メモリセルアレイ１０２側のノードをソース電極とする。このとき、上記メモリセルアレイ１０２に供給される電圧値は、上記電圧極性反転回路１１１から供給される電圧値から、上記接続選択回路１０５の電界効果トランジスタの閾値電圧値を引いた値となる。したがって、上記接続選択回路１０５の電界効果トランジスタの閾値を低閾値にすることによって、上記メモリセルアレイ１０２に十分な値の電圧を供給できる。
【０１５２】
また、５Ｖ電圧レベル検出回路１０３および−５Ｖ電圧レベル検出回路１１０は、従来に比べて検出する電圧の絶対値が低いので、用いるトランジスタのゲート絶縁膜の厚みを薄くできる。したがって、上記ゲート絶縁膜の薄膜化により、短チャンネル効果が抑制されてトランジスタの微細化が可能となるので、５Ｖ電圧レベル検出回路１０３及び−５Ｖ電圧レベル検出回路１１０の回路面積を従来よりも小さくできる。その結果、この半導体記憶装置全体の小型化を有効に実現することができる。
【０１５３】
本実施形態の半導体記憶装置は、上記不揮発性メモリ素子を用いて形成されたメモリセルアレイ１０２と、周辺回路としての上記５Ｖ電圧レベル検出回路１０３及び−５Ｖ電圧レベル検出回路１１０とを備える。したがって、上記メモリセルアレイ１０２および周辺回路は、有効に微細化でき、しかも、少ない製造工程によって容易に混載することができる。
【０１５４】
上記メモリセルアレイ１０２に操作を行なう際、接続選択回路１０５によって、上記実施の形態１におけるゲート電極１１０４や、ドレイン電極など、各電極に結合されているノードに、所定の値の電圧を供給する。例えば、メモリ機能体１１３１ａに記憶されたデータを消去する場合、上記不揮発性メモリ素子を選択し、このメモリ素子のゲート電極１１０４に結合されたノードに上記電圧極性反転回路１１１を接続して−５Ｖの電圧を供給する。これと共に、消去したいデータが記憶されたメモリ機能膜１１３１ａ側の拡散領域１１０７ａに結合されたノードに、上記電圧供給回路１０１を接続して５Ｖ電圧を供給する。さらに、上記メモリ素子の他方の拡散領域１１０７ｂに結合されたノードを接地することで、上記メモリ機能膜１１３１ａのデータの消去が行われる。
【０１５５】
（実施の形態１１）
上述した半導体記憶装置の応用例として、例えば、図２１に示したように、液晶パネルの画像調整用の書換え可能な不揮発性メモリが挙げられる。
【０１５６】
図２１に示す液晶パネル７０１は、液晶ドライバ７０２によって駆動される。液晶ドライバ７０２内には、半導体記憶装置としての不揮発性メモリ部７０３、ＳＲＡＭ部７０４、液晶ドライバ回路７０５がある。不揮発性メモリ部７０３は、本発明の不揮発性メモリ素子を含み、好ましくは実施の形態１０〜１３に記載の半導体記憶装置よりなる。不揮発性メモリ部７０３は外部から書換え可能な構成を有している。
【０１５７】
不揮発性メモリ部７０３に記憶された情報は、機器の電源の投入時にＳＲＡＭ部７０４に転写される。液晶ドライバ回路７０５は、必要に応じてＳＲＡＭ部７０４から記憶情報を読み出すことができる。ＳＲＡＭ部を設けることにより、記憶情報の読出し速度を非常に高速に行なうことができる。
【０１５８】
液晶ドライバ７０２は、図２１に示すように液晶パネル７０１に外付けしてもよいが、液晶パネル７０１上に形成してもよい。
【０１５９】
液晶パネルは、各画素に多段階の電圧を与えることによって表示される階調を変えているが、与えた電圧と表示される階調との関係は製品ごとにばらつきが生じる。そのため、製品の完成後に個々の製品のばらつきを補正するための情報を記憶させ、その情報を基に補正を行なうことにより、製品間の画質を均一にすることができる。したがって、補正情報を記憶するための書換え可能な不揮発性メモリを液晶ドライバに搭載することが好ましい。この不揮発性メモリとして本発明の不揮発性メモリ素子を用いるのが好ましく、特に、本発明の不揮発性メモリ素子を集積した実施の形態１０に記載の半導体記憶装置を用いるのが好ましい。
【０１６０】
本発明のメモリ素子を液晶パネルの画像調整用の不揮発性メモリとして用いれば、液晶ドライバなどの回路との混載プロセスが容易であることから製造コストを低減することができる。また、実施の形態１０に記載の半導体記憶装置は、比較的メモリ規模が小規模で、信頼性や安定性が重視される場合に特に好適である。通常、液晶パネルの画像調整用の不揮発性メモリは、例えば、数キロバイトであり、比較的メモリ規模が小規模である。したがって、実施の形態１０に記載の半導体記憶装置を液晶パネルの画像調整用に用いるのが特に好ましい。
【０１６１】
（実施の形態１２）
上述した半導体記憶装置が組み込まれた携帯電子機器である携帯電話を、図２２に示す。
【０１６２】
この携帯電話は、主として、制御回路８１１、電池８１２、ＲＦ（無線周波数）回路８１３、表示部８１４、アンテナ８１５、信号線８１６、電源線８１７等によって構成されており、制御回路８１１には、上述した本発明の半導体記憶装置が組み込まれている。なお、制御回路８１１は、同一構造の素子をメモリ回路素子及び論理回路素子として兼用した集積回路であるのが好ましい。これにより、集積回路の製造が容易になり、携帯電子機器の製造コストを特に低減することができる。
【０１６３】
このように、メモリ部と論理回路部の混載プロセスが簡易で、かつ高速読出し動作が可能である半導体記憶装置を携帯電子機器に用いることにより、携帯電子機器の動作速度を向上させ、製造コストを削減することが可能になり、安価で高信頼性、高性能の携帯電子機器を得ることができる。
【０１６４】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の半導体記憶装置によれば、不揮発性メモリ素子を用いて形成されたメモリセルアレイと、上記メモリセルアレイに供給する電圧を生成する電圧供給回路と、上記電圧供給回路が生成した電圧の極性を反転させる電圧極性反転回路と、上記電圧極性反転回路から上記メモリセルアレイに供給される電圧の値を検出する第１電圧値検出回路とを備え、上記不揮発性メモリ素子は、半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、このゲート電極下に上記ゲート絶縁膜を介して配置されたチャネル領域と、上記チャネル領域の両側に配置されると共に、上記チャネル領域と逆導電型を有する拡散領域と、上記ゲート電極の両側に形成されて、電荷または分極を保持する機能を有するメモリ機能体とを有するので、上記メモリセルアレイの不揮発性メモリ素子と、上記第１電圧値検出回路等に用いられるトランジスタとについて、従来よりもゲート絶縁膜の厚みを薄くでき、微細化が効果的に実現できる。その結果、上記メモリセルアレイや周辺回路の回路面積が効果的に小さくできて、半導体記憶装置の小型化を効果的に行なうことができる。また、上記メモリセルアレイの不揮発性メモリ素子のゲート絶縁膜と、上記第１電圧値検出回路等のトランジスタのゲート絶縁膜とを、同一の工程によって形成できるので、製造コストを削減できて、半導体記憶装置のコスト削減を有効に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の形態１の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は上記実施の形態１の半導体記憶装置におけるメモリ素子の変形例の要部の概略断面図である。
【図３】図３は上記実施の形態１の半導体記憶装置におけるメモリ素子の書込み動作を説明するための図である。
【図４】図４は上記実施の形態１の半導体記憶装置におけるメモリ素子の書込み動作を説明するための図である。
【図５】図５は上記実施の形態１の半導体記憶装置におけるメモリ素子の消去動作を説明するための図である。
【図６】図６は上記実施の形態１の半導体記憶装置におけるメモリ素子の消去動作を説明するための図である。
【図７】図７は上記実施の形態１の半導体記憶装置におけるメモリ素子の読出し動作を説明する図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態２の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図９】図９は上記実施の形態２の半導体記憶装置の要部の拡大概略断面図である。
【図１０】図１０は上記実施の形態２の半導体記憶装置の変形例の要部の拡大概略断面図である。
【図１１】図１１は上記実施の形態２の半導体記憶装置におけるメモリ素子の電気特性を示すグラフである。
【図１２】図１２は上記実施の形態２の半導体記憶装置におけるメモリ素子の変形例の要部の概略断面図である。
【図１３】図１３は本発明の実施の形態３の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図１４】図１４は本発明の実施の形態４の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図１５】図１５は本発明の実施の形態５の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図１６】図１６は本発明の実施の形態６の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図１７】図１７は本発明の実施の形態７の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図１８】図１８は本発明の実施の形態８の半導体記憶装置におけるメモリ素子の要部の概略断面図である。
【図１９】図１９は本発明の実施の形態９の半導体記憶装置におけるメモリ素子の電気特性を示すグラフである。
【図２０】図２０は本発明の実施の形態１０の半導体記憶装置を示すブロック図である。
【図２１】図２１は本発明の半導体記憶装置を組み込んだ液晶表示装置の概略構成図である。
【図２２】図２２は本発明の半導体記憶装置を組み込んだ携帯電子機器の概略構成図である。
【図２３】図２３は従来のフラッシュメモリの要部の概略断面図である。
【図２４】図２４は従来のフラッシュメモリの電気特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１００  制御回路
１０１  電圧供給回路
１０２  メモリセルアレイ
１０３  ５Ｖ電圧レベル検出回路
１０５  接続選択回路
１１０  −５Ｖ電圧レベル検出回路
１１１  電圧極性反転回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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