(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得る。【解決手段】フローティングゲート電極は、アモルファスシリコン領域とポリシリコン領域とからなり、前記アモルファスシリコン領域は、前記フローティングゲート電極の上側表面および側面の前記コントロール絶縁膜と接する部分に配置し、前記ポリシリコン領域は、前記フローティングゲート電極の前記トンネル絶縁膜と接する領域に配置し、前記フローティングゲート電極の前記コントロール絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸を形成した。【選択図】  図１
2013172098.tif 000002
【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設けられたトンネル絶縁膜と、
を有し、
前記フローティングゲート電極は、アモルファスシリコン領域とポリシリコン領域とからなり、
前記アモルファスシリコン領域は、前記フローティングゲート電極の上側表面の前記コントロール絶縁膜と接する部分に配置され、
前記ポリシリコン領域は、前記フローティングゲート電極の前記トンネル絶縁膜と接する領域に配置されており、
前記フローティングゲート電極の前記コントロール絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸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】
前記アモルファスシリコン領域は、さらに前記フローティングゲート電極の側面の前記コントロール絶縁膜と接する部分にも配置されている請求項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または２に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、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、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。
【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。また、書き換え特性や保持特性も未だ改善の余地が残されていた。
【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、トンネル絶縁膜が設けられており、前記フローティングゲート電極は、アモルファスシリコン領域とポリシリコン領域とからなり、前記アモルファスシリコン領域は、前記フローティングゲート電極の上側表面の前記コントロール絶縁膜と接する部分に配置され、前記ポリシリコン領域は、前記フローティングゲート電極の前記トンネル絶縁膜と接する領域に配置されており、前記フローティングゲート電極の前記コントロール絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸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。
【００１０】
また、前記アモルファスシリコン領域の膜厚は１０００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、前記フローティングゲート電極の前記コントロール絶縁膜と接する表面部分に形成された微細凹凸の深さは、５００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とした。
【発明の効果】
【００１１】
フローティングゲート電極のコントロール絶縁膜と接する表面部分には微細凹凸を形成して表面積を増大させたので、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間の容量が大きく増加して容量結合が強固になり、コントロールゲート電極とトンネル絶縁膜を介したドレイン領域との間の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。
【００１２】
従来のフローティングゲート電極は、ポリシリコンにて形成されていたが、本発明のフローティングゲート電極は、アモルファスシリコン領域とポリシリコン領域とからなり、アモルファスシリコン領域は、フローティングゲート電極の上側表面、あるいは上側表面に加えて側面のコントロール絶縁膜と接する部分に配置するようにした。
【００１３】
これによって、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に微細凹凸をもって形成されるコントロール絶縁膜を、下地となるフローティングゲート電極の結晶粒界の影響を受けることなく微細な凹凸形状に沿って均一に加工、形成することができるようになり、信頼性の高い、高品質な絶縁膜を形成することが可能となり、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間の容量をより増大させることができる。
【００１４】
従って、コントロールゲート電極に印加した電圧がより効率よくフローティングゲート電極に伝達されるようになるため、最終的に、トンネル絶縁膜を介したフローティングゲート電極とドレイン領域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およびコントロール電極を大きく形成する必要もなくなるので、メモリセルの微細化に有効である。
【００１５】
一方、フローティングゲート電極のトンネル絶縁膜と接する領域には、ポリシリコン領域が配置されており、不純物の導入によって高い導電性を有するとともにトンネル絶縁膜の信頼性を損なうことなくデータ書き換え回数やデータ保持時間の増大を達成することができる。さらに、ソース領域とドレイン領域に挟まれたチャネル領域と、フローティングゲート電極との間の仕事関数差を、従来の半導体不揮発性メモリ装置と同等に設定できる。
また、トンネル絶縁膜あるいは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として、さらにそれぞれの信頼性を向上させている。
【００１６】
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るようにし、また、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】
【００１７】
【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】
【００１８】
発明を実施するための形態を実施例に即して、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１９】
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。
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領域５０３とアモルファスシリコン領域５０２の積層膜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の上面には微細凹凸５７１が形成され表面積を増大している。
【００２０】
さらに微細凹凸５７１に沿って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が形成されており、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。
【００２１】
ここで、フローティングゲート電極５０１は、アモルファスシリコン領域５０２とポリシリコン領域５０３とからなり、アモルファスシリコン領域５０２は、フローティングゲート電極５０１の上側表面のコントロール絶縁膜６０１と接する部分に配置され、ポリシリコン領域５０３は、フローティングゲート電極５０１のトンネル絶縁膜４０１と接する領域に配置されており、フローティングゲート電極５０１のコントロール絶縁膜６０１と接するアモルファスシリコン領域５０２の表面部分には微細凹凸５７１が形成されている。
【００２２】
また、フローティングゲート電極５０１自体は導電性がより高くなるように、また、ソース領域２０１とドレイン領域２０２に挟まれたチャネル領域と、フローティングゲート電極５０１との間の仕事関数差を、従来の半導体不揮発性メモリ装置と同等に設定できるように、不純物を導入したポリシリコン領域５０３によってフローティングゲート電極５０１の底面部が形成されることが望ましい。
【００２３】
アモルファスシリコン領域５０２は、ポリシリコン材料の粒界の影響を抑制するために設けたものであり、フローティングゲート電極５０１自体は導電性がより高い不純物を導入したポリシリコン領域５０３で全体の大きな領域を形成されることが望ましいため、アモルファスシリコン領域の厚さは１０００オングストローム以下として、その表面に形成される微細凹凸５７１のピッチおよび高さは数百オングストローム程度、望ましくは５００オングストローム以下の微細なものとすることにより、微細凹凸５７１の表面積をより増大できるので望ましい。
【００２４】
図１に示した本発明の第１の実施例によれば、フローティングゲート電極５０１のコントロール絶縁膜６０１と接する表面部分には微細凹凸５７１を形成して表面積を増大させたので、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との間の容量が大きく増加して容量結合が強固になり、コントロールゲート電極５０１とトンネル絶縁膜４０１を介したドレイン領域２０２との間の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。
【００２５】
従来のフローティングゲート電極５０１は、ポリシリコン材料のみにて形成されていたが、本発明のフローティングゲート電極５０１は、アモルファスシリコン領域５０２とポリシリコン領域５０３とからなり、アモルファスシリコン領域５０２は、フローティングゲート電極５０１の上側表面のコントロール絶縁膜６０１と接する部分に配置するようにした。
【００２６】
これによって、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との間に微細凹凸をもって形成されるコントロール絶縁膜６０１を、下地となるフローティングゲート電極５０１が従来ポリシリコン材料であった際の結晶粒界の影響を受けることなく、微細な凹凸形状に沿って均一に加工、形成することができるようになり、信頼性の高い高品質な絶縁膜を形成することが可能となり、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との間の容量を増大させることができる。
【００２７】
従って、コントロールゲート電極７０１に印加した電圧がより効率よくフローティングゲート電極５０１に伝達されるようになるため、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を大きく形成する必要もなくなるので、メモリセルの微細化に有効である。
【００２８】
一方、フローティングゲート電極５０１のトンネル絶縁膜４０１と接する領域には、ポリシリコン領域５０３が配置されており、不純物の導入によって高い導電性を有するとともにトンネル絶縁膜４０１の信頼性を損なうことなくデータ書き換え回数や、データ保持時間の増大を達成することができる。
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、さらにそれぞれの信頼性を向上させている。
【００２９】
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るようにし、また、トンネル絶縁膜４０１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２】
【００３０】
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の実勢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、フローティングゲート電極５０１内のアモルファスシリコン領域５０２は、フローティングゲート電極５０１の上側表面に加えて側面のコントロール絶縁膜６０１と接する部分にも配置され、伴って、微細凹凸５７１もフローティングゲート電極５０１の上側表面に加えて側面にも形成されている点である。
【００３１】
図２に示した第２の実施例においては、フローティングゲート５０１の側面にも微細凹凸５７１を形成し、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との間で容量を形成しているため、第１の実施例に比べて、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との容量がさらに大きくなり、カップリングレシオをさらに増大することができる。
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、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るようにし、また、トンネル絶縁膜４０１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】
【００３３】
１０１  Ｐ型のシリコン基板
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
５０２  アモルファスシリコン領域
５０３  ポリシリコン領域
５７１  フローティングゲート電極表面の微細凹凸
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
【図１】
2013172098.tif 000003
【図２】
2013172098.tif 000004