(57)【要約】【課題】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提供する。【解決手段】トンネル領域とフローティングゲート電極との間には、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜を形成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体表面領域の表面に、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ゲート絶縁膜と、前記フローティングゲート電極とコントロールゲート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からなる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリにおいて、
前記ドレイン領域内のトンネル領域と前記フローティングゲート電極との間には、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜が形成されてい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】
前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜は、互いに離間して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】
前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜は、互いに隣接して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４】
前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚は、もっとも近い膜厚のもの同士で１％以内の差で形成されている請求項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５】
前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚は、もっとも近い膜厚のもの同士で２％以内の差で形成されている請求項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６】
前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜あるいは前記コントロールゲート絶縁膜の少なくとも片方は、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。
【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、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ゲート絶縁膜を介してコントロールゲート電極が形成され、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。
【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。
【０００４】
したがって、フローティングゲート電極中の電荷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電極に対して約１５Ｖ以上の電位差を与えることにより、フローティングゲート電極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注入したりすることができる。
【０００５】
このようにして、フローティングゲート電極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。
【０００６】
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。数十万回から数百万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、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からである。
【０００７】
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方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
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り、また数十万回から数百万回に及ぶ多数回のメモリセル情報の書き換えを行う際には未だ信頼性が十分とならなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
第１導電型の半導体表面領域の表面に、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ゲート絶縁膜と、前記フローティングゲート電極とコントロールゲート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からなる電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリにおいて、前記ドレイン領域内のトンネル領域と前記フローティングゲート電極との間には、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜が形成されてい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。
【００１２】
また、前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜は、互いに離間して設けられてい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。
【００１３】
また、前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜は、互いに隣接して設けられてい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。
【００１４】
また、前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚は、もっとも近い膜厚のもの同士で１％以内の差で形成されてい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。
【００１５】
また、前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚は、もっとも近い膜厚のもの同士で２％以内の差で形成されてい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。
【００１６】
また、前記膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜あるいは前記コントロールゲート絶縁膜の少なくとも片方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合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。
【００１７】
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書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル領域において、トンネル領域とフローティングゲート電極との間には、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜を形成した。
【発明の効果】
【００１８】
データの書き換え時には、ドレイン領域とフローティングゲート電極の間に大きな電界を与えることにより、トンネル絶縁膜中を多数の電子が移動（トンネリング）する。数十万回から数百万回に及ぶデータ書き換え動作により、トンネル絶縁膜中に電子トラップと呼ばれる準位が発生し、電子の通過を妨げ、よって書き換え動作に支障をきたすようになる。
【００１９】
本発明によれば、ドレイン領域内のトンネル領域とフローティングゲート電極との間には、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜を形成したので、書き換え動作の初期段階では、最も膜厚の薄いトンネル絶縁膜領域にて最も高い電界強度が与えられるため、最も膜厚の薄いトンネル絶縁膜領域にて書き換え動作、つまりトンネル絶縁膜内の電子の通過が行われる。書き換え動作（回数）が進むにつれて、最も薄いトンネル絶縁膜中に電子トラップが生成され、電子が通過しにくくなる。そのようになると、次に膜厚の薄いトンネル絶縁膜が最も電子を通過させやすい膜となり、トンネリング現象を作動させる。このようにして、薄い膜厚のトンネル絶縁膜から順に選択的にトンネル現象を生じるが、トンネル絶縁膜中に電子トラップが生成されて電子の通過（トンネリング）が難しくなると、次に薄いトンネル絶縁膜に電子の通過領域がシフトしていくことができる。複数の膜厚のトンネル絶縁膜を有することにより、電子トラップなどのダメージを与えられたトンネル絶縁膜から、新鮮なトンネル絶縁膜へ、オートマティックに電子の通過領域がシフトし、これによって、データ書き換え動作を従来に比べて飛躍的に長く行えるようになる。
【００２０】
また、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜は、互いに離間して設けることにより、それぞれのトンネル絶縁膜が順次確実にフローティングゲート電極への電子注入あるいはドレイン領域への電子引き抜きの役目を分担することができる。
【００２１】
また、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜は、互いに隣接して設けることにより、占有面積の縮小を図ることができる。
【００２２】
膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚は、もっとも近い膜厚のもの同士で１％以内の差で形成することにより、トンネル絶縁膜中の電子トラップ生成による電子通過の障害を敏感に検知して電子通過領域を次に厚いトンネル絶縁膜領域へシフトさせることができる。
【００２３】
また、製造工程や膜形成精度、あるいは製造コストなどの観点から、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚を、もっとも近い膜厚のもの同士で１％以内の差で形成することが難しい場合には、次善の策となるが膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚を、もっとも近い膜厚のもの同士で２％以内の差にて形成すると良い。
【００２４】
また、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜あるいは前記コントロールゲート絶縁膜の少なくとも片方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性を向上させた。
【００２５】
これらの手段によって、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書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル絶縁膜の劣化を抑制し、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】
【００２６】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下では図面を用いて実施例について説明する。
【実施例１】
【００２８】
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の実施例を示す模式的断面図である。
【００２９】
第１導電型のＰ型の半導体基板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型の半導体基板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絶縁膜５０１が設けられ、フローティングゲート電極５０１上には、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ゲート絶縁膜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。
【００３０】
ここで、ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１とフローティングゲート電極５０１との間には、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との複合膜などからなる８０オングストロームの膜厚の第１のトンネル絶縁膜４５１と、第１のトンネル絶縁膜４５１と離間して、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との複合膜などからなる８０．５オングストロームの膜厚の第２のトンネル絶縁膜４５２が形成され、さらに第１のトンネル絶縁膜４５１、および第２のトンネル絶縁膜４５２と離間して、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との複合膜などからなる８１オングストロームの膜厚の第３のトンネル絶縁膜４５３が形成されている。
【００３１】
図１に示した本発明による第１の実施例では、簡単のため、３種類のトンネル絶縁膜を用いた例を示したが、本発明はこれに限るものではなく、複数種類の膜厚を有するトンネル絶縁膜を形成してよい。
【００３２】
また、トンネル絶縁膜の膜厚は、８０オングストロームを基準にした例を示したが、半導体装置の仕様に合わせて、適宜変更可能である。また、第１のトンネル絶縁膜４５１と第２のトンネル絶縁膜４５２、あるいは、第２のトンネル絶縁膜４５２と第３のトンネル絶縁膜４５３との膜厚差は、１％以内として、トンネル絶縁膜中に生成した電子トラップの影響を敏感に反映できる例を示したが、製造方法、製造工程や製造コストなどの観点から、精密な膜厚制御が困難な場合には、２％以内の膜厚差に形成することを次善の策として推奨する。
【００３３】
また、第１のトンネル絶縁膜４５１と第２のトンネル絶縁膜４５２および、第３のトンネル絶縁膜４５３の配置例は一例であり、膜厚による配置位置の規定は特にない。
【００３４】
本発明による第１の実施例によれば、ドレイン領域２０２内のトンネル領域８０１とフローティングゲート電極５０１との間には、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜、第１のトンネル絶縁膜４５１、第２のトンネル絶縁膜４５２、第３のトンネル絶縁膜４５３、を形成したので、書き換え動作の初期段階では、最も膜厚の薄い第１のトンネル絶縁膜４５１にて最も高い電界強度が与えられるため、最も膜厚の薄い第１のトンネル酸化膜４５１にて書き換え動作、つまりトンネル絶縁膜内の電子の通過が行われる。書き換え動作が進むにつれて、最も薄い第１のトンネル絶縁膜４５１中に電子トラップが生成され、電子が通過しにくくなる。そのようになると、次に膜厚の薄い第２のトンネル絶縁膜４５２が最も電子を通過させやすい膜となり、トンネリング現象を作動させる。このようにして、薄い膜厚のトンネル絶縁膜から順に選択的にトンネル現象を生じるが、トンネル絶縁膜中に電子トラップが生成されて電子の通過（トンネリング）が難しくなると、次に薄いトンネル絶縁膜に電子の通過領域がシフトしていくことができる。
【００３５】
複数の膜厚のトンネル絶縁膜を有することにより、電子トラップなどのダメージを与えられたトンネル絶縁膜から、新鮮なトンネル絶縁膜へ、オートマティックに電子の通過領域がシフトし、これによって、データ書き換え動作を従来に比べて飛躍的に長く行えるようになる。
【００３６】
また、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜、第１のトンネル絶縁膜４５１、第２のトンネル絶縁膜４５２、第３のトンネル絶縁膜４５３を、互いに離間して設けることにより、それぞれのトンネル絶縁膜が順次確実にフローティングゲート電極への電子注入あるいはドレイン領域への電子引き抜きの役目を分担することができる。
【００３７】
また、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚は、もっとも近い膜厚のもの同士で１％以内の差で形成することにより、トンネル絶縁膜中の電子トラップ生成による電子通過の障害を敏感に検知して電子通過領域を次に厚いトンネル絶縁膜領域へシフトさせることができる。
【００３８】
また、製造工程や形成精度などの観点から、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚を、もっとも近い膜厚のもの同士で１％以内の差で形成することが難しい場合には、次善の策となるが、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜のそれぞれの膜厚を、もっとも近い膜厚のもの同士で２％以内の差で形成すると良い。
【００３９】
また、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜、第１のトンネル絶縁膜４５１、第２のトンネル絶縁膜４５２、第３のトンネル絶縁膜４５３、あるいは前記コントロールゲート絶縁膜５０１の少なくとも片方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性を向上させている。
【実施例２】
【００４０】
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。
【００４１】
図１に示した第１の実施例に比べて、異なる点は、膜厚の異なる複数のトンネル絶縁膜、第１のトンネル絶縁膜４５１、第２のトンネル絶縁膜４５２、第３のトンネル絶縁膜４５３が、互いに隣接して設けられている点である。このような形態を取ることで、占有面積の縮小を図ることができる。
【００４２】
その他の説明については、図１と同じ符号を付記することで説明に代える。
【００４３】
以上、説明したように、本発明によるこれらの手段によって、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書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与えるトンネル絶縁膜の劣化を抑制し、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】
【００４４】
１０１  Ｐ型のシリコン基板
２０１  Ｎ型ソース領域
２０２  Ｎ型ドレイン領域
３０１  ゲート絶縁膜
４５１  第１のトンネル絶縁膜
４５２  第２のトンネル絶縁膜
４５３  第３のトンネル絶縁膜
５０１  フローティングゲート電極
６０１  コントロールゲート絶縁膜
７０１  コントロールゲート電極
８０１  トンネル領域
【図１】
2012134323.tif 000003
【図２】
2012134323.tif 000004