(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】ドレイン領域の一部に半球状の窪みを設けトンネル領域を形成し、フローティングゲート電極はトンネル領域の半球状の窪みに沿って入り込む形状となるように形成する。【選択図】  図１
2012164822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の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およびドレイン領域と、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基板に設けられたチャネル形成領域と、前記ソース領域および前記ドレイン領域および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電極と、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、
前記ドレイン領域の一部は、前記ドレイン領域の表面から前記半導体基板の内部に向かう半球状の窪みであるトンネル領域を有しており、
前記フローティングゲート電極の一部は前記トンネル領域の前記半球状の窪みに沿って入り込んだ形状を有し、
前記トンネル領域と前記フローティングゲート電極の一部との間には、トンネル絶縁膜が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。
【請求項２】
前記半球状の窪みは、前記ドレイン領域の表面から一段掘り下げられた領域である掘り下げ領域内に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３】
前記半球状の窪みの曲率半径は、前記半球状の窪みを上面より観察した際の半径に等しい請求項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】
前記半球状の窪みを上面から観察した際の直径は、５０００オングストローム以下である請求項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５】
前記半球状の窪みを上面から観察した際の直径は、１００００オングストローム以下である請求項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６】
前記コントロールゲート絶縁膜あるいは、前記トンネル絶縁膜の一方もしくは両方は、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。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。
【０００３】
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。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。
【０００４】
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特に重要である。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することや、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。
【０００５】
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】
【０００６】
【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】
【０００７】
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。また、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のエッジへの配慮はなされていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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電極と、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、
前記ドレイン領域の一部には、前記ドレイン領域の表面から半球状に掘り下げられた半球状の窪みが設けられてトンネル領域を形成しており、前記フローティングゲート電極は前記トンネル領域の前記半球状の窪みに沿って入り込む形状で形成されており、前記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、トンネル絶縁膜が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。
【０００９】
また、前記半球状の窪みは、前記ドレイン領域の表面から一段掘り下げられた第１の掘り下げ領域内に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。
また、前記半球状の窪みの曲率半径は、前記半球状の窪みを上面より観察した際の半径に等しい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】
また、前記半球状の窪みを上面から観察した際の直径は、５０００オングストローム以下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。
また、前記半球状の窪みを上面から観察した際の直径は、１００００オングストローム以下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、前記コントロールゲート絶縁膜あるいは、前記トンネル絶縁膜の一方もしくは両方は、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。
【発明の効果】
【００１２】
電気的書き換え可能な半導体不揮発性メモリ装置において、トンネル領域は、データの書き換え特性や保持特性に顕著に影響を与える特に重要な要素である。とりわけトンネル領域のエッジ部分は、欠陥が生じやすく、従来から課題となっていた。
【００１３】
本発明では、ドレイン領域の一部に、ドレイン領域の表面から半球状に掘り下げられた半球状の窪みを設けてトンネル領域を形成し、フローティングゲート電極はトンネル領域の半球状の窪みに沿って入り込む形状で形成した。そし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、トンネル絶縁膜を設けた。
【００１４】
このようなトンネル領域の構造を構成することによって、データの書き換えや保持動作においてフローティングゲート電極とドレイン領域との間に高い電圧がかかった際にも、トンネル領域のエッジ部近傍への電界集中を防止することができ、トンネル領域に形成されたトンネル絶縁膜全体へ均一に電界が印加されるようになるため、メモリセルの信頼性を向上させ、より多くのデータ書き換え回数や、データ保持時間を達成することができる。
【００１５】
また、トンネル領域は半球状にドレイン領域表面から内部へ入り込んだ形状を有するため、トンネル領域の殆どの領域は欠陥の多いドレイン領域表面部分を回避して、良好な結晶性を保つ内部領域にて形成されることになり、そこに形成されるトンネル絶縁膜の信頼性は従来に比べて大きく向上する。
【００１６】
また、半球状の窪みを、ドレイン領域の表面から一段掘り下げられた第１の掘り下げ領域内に形成することによって、さらにより厳密に欠陥の多いドレイン領域表面部を回避することができる。
【００１７】
また、半球状の窪みの曲率半径は、半球状の窪みを上面より観察した際の半径に等しい形状とした。すなわち、半球状の窪みは、完全な半球形であり、曲面はいずれの場所でも均一な形状であり、したがって、データ書き換え時などにこの表面に形成されるトンネル絶縁膜にかかる電界は、全ての位置で均一になる。これによって、トンネル絶縁膜の局所的な劣化を防止し、データ書き換え特性や、データ保持特性を大きく向上させることができる。
【００１８】
また、半球状の窪みを上面から観察した際の直径は、５０００オングストローム以下とした。これによって、微細な面積のトンネル領域を形成することができ、フローティングゲート電極とコントロールゲート電極との容量と、フローティングゲート電極とドレイン領域との容量の対比指標であるカップリングレシオを大きくとることができる。これによって、データの書き換え動作に必要な電圧を下げることができるようになり、低電圧動作が可能になる。
【００１９】
望ましくは、半球状の窪みを上面から観察した際の直径は、５０００オングストローム以下とすることが良いが、加工装置の精度などの問題から難しい場合には、次善の策として半球状の窪みを上面から観察した際の直径を、１００００オングストローム以下とすることでもカップリングレシオの増大に効果を奏する。
【００２０】
また、コントロールゲート絶縁膜あるいは、トンネル絶縁膜の一方もしくは両方は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性をさらに向上している。
【００２１】
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領域の欠陥の生じやすいエッジ部への電界集中を防止し、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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】
【００２３】
以下図面に基づいて実施例を説明する。
【実施例１】
【００２４】
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。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。
【００２５】
ここで、ドレイン領域２０２の一部には、ドレイン領域２０２の表面から半球状に掘り下げられた直径３０００オングストロームで、曲率半径が直径のちょうど半分である１５００オングストロームに設定された半球状の窪み１３０が形成されている。
【００２６】
半球状の窪み１３０は完全に均一な半球状の形状でドレイン領域２０２に埋め込まれた形をとっている。半球状の窪み１３０の表面部分にはトンネル領域８０１が形成され、フローティングゲート電極５０１はトンネル領域２０２に形成された半球状の窪み１３０に沿って入り込む形状で形成されている。そしてトンネル領域２０２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トンネル絶縁膜４０１が形成されている。
【００２７】
本発明による第１の実施例では、ドレイン領域２０２の一部に、ドレイン領域２０２の表面から半球状に掘り下げられた半球状の窪み１３０を設けてトンネル領域８０１を形成し、フローティングゲート電極５０１はトンネル領域８０１の半球状の窪み１３０に沿って入り込む形状で形成した。そしてトンネル領域２０２とフローティングゲート電極５０１との間には、トンネル絶縁膜４０１を設けた。
【００２８】
トンネル領域８０１の構造をこのように構成することによって、データの書き換えや保持動作においてフローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２との間に高い電圧がかかった際にも、トンネル領域８０１のエッジ部近傍への電界集中を防止することができ、トンネル領域８０１に形成されたトンネル絶縁膜４０１全体へ均一に電界が印加されるようになるため、メモリセルの信頼性を向上させ、より多くのデータ書き換え回数や、データ保持時間を達成することができる。
【００２９】
また、トンネル領域８０１は半球状にドレイン領域２０２表面から内部へ入り込んだ形状を有するため、トンネル領域８０１の殆どの領域は欠陥の多いドレイン領域２０２の表面部分を回避して、良好な結晶性を保つ内部領域にて形成されることになり、そこに形成されるトンネル絶縁膜４０１の信頼性は従来に比べて大きく向上する。
【００３０】
また、半球状の窪み１３０の曲率半径は、半球状の窪みを上面より観察した際の半径に等しい形状とした。すなわち、半球状の窪み１３０は、完全な半球形であり、曲面はいずれの場所でも均一な形状であり、したがって、データ書き換え時などにこの表面に形成されるトンネル絶縁膜４０１にかかる電界は、全ての位置で均一になる。これによって、トンネル絶縁膜４０１の局所的な劣化を防止し、データ書き換え特性や、データ保持特性を大きく向上させることができる。
【００３１】
また、半球状の窪み１３０を上面から観察した際の直径は、３０００オングストローム以下としたので、微細な面積のトンネル領域８０１を形成することができ、フローティングゲート電極５０１とコントロールゲート電極７０１との容量と、フローティングゲート電極５０１とドレイン領域２０２との容量の対比指標であるカップリングレシオを大きくとることができる。これによって、データの書き換え動作に必要な電圧を下げることができるようになり、低電圧動作が可能になる。
【００３２】
半球状の窪み１３０を上面から観察した際の直径は、５０００オングストローム以下とすることが望ましいが、加工装置の精度などの問題から難しい場合には、次善の策として半球状の窪み１３０を上面から観察した際の直径を、１００００オングストローム以下とすることでもカップリングレシオの増大に効果を奏する。また、コントロールゲート絶縁膜６０１あるいは、トンネル絶縁膜４０１の一方もしくは両方をシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の複合膜として、信頼性をさらに向上させている。
【実施例２】
【００３３】
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。図１に示した第１の実施例と異なる点は、半球状の窪み１３０が、ドレイン領域２０２の表面から一段掘り下げられた第１の掘り下げ領域１４０内に形成している点である。
【００３４】
第１の掘り下げ領域１４０を設けることによって、トンネル領域８０１を完全にドレイン領域２０２の表面領域から離間させて形成することができる。これによって図１に示した第１の実施例に比べて、さらに厳密にドレイン領域表面部を回避したトンネル領域８０１を形成することができ、その表面に形成されるトンネル絶縁膜４０１の信頼性はさらに向上することができる。その他の説明は、図１と同一の符号を付記することで説明に代える。
【００３５】
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領域８０１の欠陥の生じやすいエッジ部への電界集中を防止し、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ができる。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  Ｐ型のシリコン基板
１３０  半球状の窪み
１４０  第１の掘り下げ領域
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】
2012164822.tif 000003
【図２】
2012164822.tif 000004