JP2006191049A - 不揮発性記憶素子、その製造方法及び動作方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この素子は、基板上にゲート絶縁膜を介在して形成された浮遊ゲートと、前記浮遊ゲート上に形成されたトンネル絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を通じる電荷の注入を誘導する選択ゲート電極と、前記トンネル絶縁膜を通じる電荷のトンネリングを誘導する制御ゲート電極と、を含む。前記選択ゲート電極は前記制御ゲート電極と絶縁されている。本発明による記憶素子は浮遊ゲート上に選択ゲート電極及び制御ゲート電極を形成して、各ゲート電極に電圧を印加することによって書き込み及び消去が可能である。
【選択図】図6
Description
12、54、102 ゲート絶縁膜
104a 浮遊ゲート
125a トンネル絶縁膜
120 126a 選択ゲート電極
126b 制御ゲート電極
Claims (47)
- 基板上にゲート絶縁膜を介在して形成された浮遊ゲートと、
前記浮遊ゲート上に形成されたトンネル絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を通じて電荷を誘導する選択ゲート電極と、
前記トンネル絶縁膜を通じる電荷のトンネリングを誘導する制御ゲート電極と、を含み、
前記選択ゲート電極は前記制御ゲート電極と絶縁されたことを特徴とする不揮発性記憶素子。 - 前記選択ゲート電極は誘電膜によって前記浮遊ゲートと絶縁され、前記制御ゲート電極は前記トンネル絶縁膜によって前記浮遊ゲートと絶縁されたことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記選択ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間のキャパシタンスは、前記制御ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間のキャパシタンスより大きいことを特徴とする請求項2に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記誘電膜は前記トンネル絶縁膜より大きい誘電定数を有する物質を含むことを特徴とする請求項3に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記浮遊ゲートは前記制御ゲート電極に向かうチップを有することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記トンネル絶縁膜を通じる電荷のトンネリングは前記浮遊ゲートのチップの近傍で起こることを特徴とする請求項5に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記基板にチャンネル領域を画定するソース領域及びドレイン領域をさらに含み、
前記浮遊ゲート、前記選択ゲート電極及び前記制御ゲート電極は、前記チャンネル領域上に前記ゲート絶縁膜を介在して形成されたことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記選択ゲート電極の誘導によって前記チャンネル領域で生成されたホットキャリアが前記ゲート絶縁膜を通じて注入されることを特徴とする請求項7に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記基板にチャンネル領域を画定するソース領域及びドレイン領域と、
前記選択ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間に介在されたゲート層間誘電膜と、をさらに含み、
前記ゲート絶縁膜は前記チャンネル領域上に形成され、
前記選択ゲート電極は前記ゲート絶縁膜と前記浮遊ゲート上に形成され、
前記制御ゲート電極は前記選択ゲート電極に対向して前記浮遊ゲートの側壁と前記ゲート絶縁膜上に形成され、
前記トンネル絶縁膜は前記制御ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間に介在されたことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記選択ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間のゲート層間誘電膜の面積は、前記制御ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間のトンネル絶縁膜の面積より広いことを特徴とする請求項9に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記選択ゲート電極は、
前記浮遊ゲートの上部に形成された上部選択ゲート電極と、
前記制御ゲート電極に対向して前記浮遊ゲートの側壁と前記ゲート絶縁膜上に形成された側壁選択ゲート電極と、を含むことを特徴とする請求項9に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記側壁選択ゲート電極と前記制御ゲート電極は対称構造であることを特徴とする請求項11に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記上部選択ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間のゲート層間誘電膜は、前記トンネル絶縁膜より誘電定数が大きい物質を含むことを特徴とする請求項11に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記側壁選択ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間のゲート層間誘電膜は、前記トンネル絶縁膜と同一の物質であることを特徴とする請求項13に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記上部選択ゲート電極及び前記側壁選択ゲート電極の間と、前記上部選択ゲート電極及び前記制御ゲート電極の間に各々スペーサ絶縁膜パターンが介在されたことを特徴とする請求項11に記載の不揮発性記憶素子。
- 半導体基板に形成され、複数個の活性領域を画定する素子分離膜と、
前記活性領域上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記活性領域の前記ゲート絶縁膜上に各々形成された浮遊ゲートと、
前記ゲート絶縁膜と前記浮遊ゲート上に形成されて活性領域の上部を横切るセンシングラインと、
前記センシングラインに対向して前記浮遊ゲートの側壁と前記ゲート絶縁膜上に形成されて前記活性領域の上部を横切るワードラインと、
前記センシングラインと前記浮遊ゲートとの間に介在されたゲート層間誘電膜と、
前記ワードラインと前記浮遊ゲートとの間に介在されたトンネル絶縁膜と、を含むことを特徴とする不揮発性記憶素子。 - 前記浮遊ゲートと前記センシングラインとの間のキャパシタンスは、前記浮遊ゲートと前記ワードラインとの間のキャパシタンスより大きいことを特徴とする請求項16に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記浮遊ゲートと前記センシングラインとの間のゲート層間誘電膜の面積は、前記浮遊ゲートと前記ワードラインとの間のトンネル絶縁膜の面積より広いことを特徴とする請求項17に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記ゲート層間誘電膜は前記トンネル絶縁膜より大きい誘電定数を有する物質を含むことを特徴とする請求項17に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記センシングラインは、前記浮遊ゲートの上部を横切る上部センシングラインと、前記浮遊ゲートの側壁及び前記活性領域の上部を横切る側壁センシングラインと、で構成されたことを特徴とする請求項16に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記上部センシングライン及び前記側壁センシングラインの間と、前記上部センシングライン及び前記ワードラインの間に各々介在されたスペーサ絶縁膜パターンをさらに含むことを特徴とする請求項20に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記側壁センシングラインと前記ワードラインは互いに対向する対称構造であることを特徴とする請求項20に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記上部センシングラインと前記浮遊ゲートとの間のゲート層間誘電膜は、前記トンネル絶縁膜より誘電定数が大きい物質を含むことを特徴とする請求項20に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記側壁センシングラインと前記浮遊ゲートとの間のゲート層間誘電膜は、前記トンネル絶縁膜と同一の物質であることを特徴とする請求項23に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記浮遊ゲートは前記制御ゲート電極に向かうチップを有することを特徴とする請求項20に記載の不揮発性記憶素子。
- 前記センシングラインに隣接した活性領域に各々形成されたドレイン領域と、
前記ワードラインに隣接した活性領域に形成されて前記ワードラインと平行に連結された共通ソースラインと、を含むことを特徴とする請求項20に記載の不揮発性記憶素子。 - 前記活性領域上の浮遊ゲート、センシングライン及びワードラインは、記憶セルを構成し、前記センシングラインは所定個数の記憶セル単位で分離して複数個のセンシングラインが各ワードラインに対向することを特徴とする請求項20に記載の不揮発性記憶素子。
- チャンネル領域を画定するソース領域及びドレイン領域、前記チャンネル領域上のゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜上の浮遊ゲート、前記ゲート絶縁膜と前記浮遊ゲート上の選択ゲート電極、前記浮遊ゲートの側壁と前記ゲート絶縁膜上の前記選択ゲート電極と対向する制御ゲート電極、前記選択ゲート電極と浮遊ゲートとの間に介在されたゲート層間誘電膜及び前記制御ゲート電極と前記浮遊ゲートとの間に介在されたトンネル絶縁膜を含む不揮発性記憶セルの動作方法において、
前記ゲート絶縁膜を通じて前記浮遊ゲートに電荷を注入する書き込み段階、前記浮遊ゲートに貯蔵された電荷による前記浮遊ゲート下部のチャンネル領域のスレッショルド電圧の変化を感知する読み出し段階、及び前記トンネル絶縁膜を通じて前記浮遊ゲートに貯蔵された電荷のトンネリングを誘導する消去段階を含むことを特徴とする不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記書き込み段階で、
ソース領域及びドレイン領域に各々定電圧及び接地電圧を印加して、選択ゲート電極に書き込み電圧を印加して、制御ゲート電極にターンオン電圧を印加してゲート絶縁膜を通じて電荷を注入することを特徴とする請求項28に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記書き込み段階で、
前記制御ゲート電極に印加されるターンオン電圧は制御ゲート電極の下部のチャンネル領域にチャンネルを形成する電圧であることを特徴とする請求項29に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記書き込み段階で、
前記浮遊ゲートと前記チャンネル領域との間のゲート絶縁膜を通じてホットキャリアの注入が起こるように書き込み電圧を印加することを特徴とする請求項29に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記読み出し段階で、
ソース領域に接地電圧を印加して、ドレイン領域に読み出し電圧を印加して、選択ゲート電極にターンオン電圧を印加して、制御ゲート電極に判読電圧を印加して浮遊ゲートに貯蔵された情報を感知することを特徴とする請求項28に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記読み出し段階で、
前記選択ゲート電極に印加されるターンオン電圧は選択ゲート電極の下部のチャンネル領域にチャンネルを形成する電圧であることを特徴とする請求項32に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記浮遊ゲートと前記チャンネル領域との間のゲート絶縁膜に書き込みスレッショルド電圧より高くて、消去スレッショルド電圧より低い電圧がカップリングされるように判読電圧を印加することを特徴とする請求項32に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。
- 前記消去段階で、
ソース領域、ドレイン領域及び選択ゲート電極に各々接地電圧を印加して、制御ゲート電極に消去電圧を印加してトンネル絶縁膜を通じて電荷のトンネリングを誘導することを特徴とする請求項28に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記浮遊ゲートと前記制御ゲート電極との間のトンネル絶縁膜を通じて電荷のトンネリングが起こるように前記消去電圧を印加することを特徴とする請求項35に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。
- 前記記憶セルが行方向及び列方向に配列され、行方向に配置された記憶セルのドレイン領域が連結されてビットラインを構成して、列方向に配置された記憶セルの選択ゲート電極が連結されてセンシングラインを構成して、列方向に配置された記憶セルの制御ゲート電極が連結されてワードラインを構成して、列方向に配置されたソース領域が連結されて共通ソースラインを構成し、
前記書き込み段階で選択された選択共通ソースライン、選択ビットライン、選択センシングライン及び選択ワードラインに各々定電圧、接地電圧、書き込み電圧及びターンオン電圧を印加して、
非選択共通ソースライン、非選択ビットライン、非選択センシングライン及び非選択ワードラインに各々接地電圧を印加することを特徴とする請求項28に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記読み出し段階で選択された選択共通ソースライン、選択ビットライン、選択センシングライン及び選択ワードラインに各々接地電圧、読み出し電圧、ターンオン電圧及び判読電圧を印加して、
非選択共通ソースライン、非選択ビットライン、非選択センシングライン及び非選択ワードラインに各々接地電圧を印加することを特徴とする請求項37に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記消去段階で選択された選択共通ソースライン、選択ビットライン及び選択センシングラインに各々接地電圧を印加して、選択ワードラインに消去電圧を印加して、
非選択共通ソースライン、非選択ビットライン、非選択センシングライン及び非選択ワードラインに各々接地電圧を印加することを特徴とする請求項37に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 前記センシングラインは所定個数の記憶セル単位で分離して複数個のセンシングラインが各ワードラインに対向し、
前記消去段階で選択ワードラインと対向する選択センシングラインに接地電圧を印加して、
前記選択ワードラインと対向する非選択センシングラインには消去阻止電圧を印加して非選択センシングラインを共有する記憶セルの浮遊ゲートの電位をあげてトンネル絶縁膜を通じるトンネリングを抑制することを特徴とする請求項39に記載の不揮発性記憶素子の動作方法。 - 半導体基板に活性領域を画定する段階と、
前記活性領域上にゲート絶縁膜を介在して前記半導体基板の全面に浮遊ゲート導電膜を形成する段階と、
前記浮遊ゲート導電膜上に前記活性領域の上部を横切る上部選択ゲート電極を形成する段階と、
前記浮遊ゲート導電膜をパターニングして前記活性領域上に浮遊ゲートを形成する段階と、
前記浮遊ゲートの側壁にトンネル絶縁膜を形成する段階と、
前記浮遊ゲート両側のトンネル絶縁膜及びゲート絶縁膜上に互いに対向して活性領域を横切る側壁選択ゲート電極及び制御ゲート電極を形成する段階と,を含むことを特徴とする不揮発性記憶素子の製造方法。 - 前記上部選択ゲート電極を形成する段階は、
前記浮遊ゲート導電膜上に互いに対向して前記活性領域を横切るスペーサ絶縁膜を形成する段階と、
前記スペーサ絶縁膜パターンの間の浮遊ゲート導電膜上に誘電膜をコンフォーマルに形成する段階と、
前記誘電膜が形成されたスペーサ絶縁膜の間に上部ゲート導電膜を満たす段階と,を含むことを特徴とする請求項41に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。 - 前記誘電膜は前記トンネル絶縁膜より誘電定数が大きい膜を少なくとも一層含むことを特徴とする請求項42に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
- 前記スペーサ絶縁膜パターンを形成する段階は、
前記浮遊ゲート導電膜上に前記活性領域の上部を横切るオープニングを有するハードマスク膜を形成する段階と、
前記ハードマスク膜上にスペーサ絶縁膜をコンフォーマルに形成する段階と、
前記スペーサ絶縁膜を異方性エッチングして前記オープニングの側壁にスペーサ絶縁膜パターンを形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項42に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。 - 前記スペーサ絶縁膜を形成する前に、
前記オープニングに露出された浮遊ゲート導電膜を熱酸化させて犠牲酸化膜パターンを成長させる段階と、
前記犠牲酸化膜パターンを除去して凹んだリセス領域を形成する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項44に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。 - 前記浮遊ゲートを形成する段階は、
前記上部ゲート導電膜上に酸化膜を形成する段階と、
前記ハードマスク膜を除去する段階と、
前記酸化膜及び前記スペーサ絶縁膜パターンをエッチングマスクとして使用して前記浮遊ゲート導電膜を自己整列エッチングして浮遊ゲートを形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項44に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。 - 前記側壁選択ゲート電極及び前記制御ゲート電極を形成する段階は、
前記基板の全面にスペーサ導電膜を形成する段階と、
前記スペーサ導電膜を異方性エッチングして前記スペーサ絶縁膜パターンの側壁及び前記浮遊ゲートの側壁に導電膜パターンを形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項46に記載の不揮発性記憶素子の製造方法。
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