JPH09223753A - 2層フローティングゲート構造のマルチビット対応セルを有する不揮発性メモリ及びそのプログラム/消去/読出方法 - Google Patents

2層フローティングゲート構造のマルチビット対応セルを有する不揮発性メモリ及びそのプログラム/消去/読出方法

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JPH09223753A
JPH09223753A JP3077996A JP3077996A JPH09223753A JP H09223753 A JPH09223753 A JP H09223753A JP 3077996 A JP3077996 A JP 3077996A JP 3077996 A JP3077996 A JP 3077996A JP H09223753 A JPH09223753 A JP H09223753A
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gate
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 メモリ記憶容量の増大化に寄与する。消費電
力を低減し、寿命を延ばしかつ簡単な製造工程を維持す
る。 【解決手段】 本不揮発性メモリは2層フローティング
ゲート構造のマルチビット対応の記憶セルを含む。当該
セルは、基板1に方向Lに沿い離隔形成されたソース
2,ドレイン3と、基板主面上方でソース−ドレイン間
に配され方向Lの交差方向に延びる第1フローティング
ゲート4Aと、第1フローティングゲート主面上方でド
レイン−ソース間に配されたコントロールゲート5と、
基板にソースやドレインと離隔形成された高不純物濃度
層21,22と、第1フローティングゲート主面上方で
第1フローティングゲートと交差しソースやドレインと
は別の位置から高不純物濃度層主面上方に亘り延びる複
数の第2フローティングゲート4B1,4B2と、第2フ
ローティングゲート各主面上方に配された複数のプログ
ラムゲート61,62とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性メモリに
関し、特にフローティングゲート構造を有するトランジ
スタにより記憶セルが構成されるメモリに関する。本発
明はまた、かかるメモリのプログラム/消去/読出方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】フローティングゲート及びコントロール
ゲートを有するトランジスタからなる記憶セルにより構
成される不揮発性メモリとして、例えば「S.Keeny et a
l., "Complete Transient Simulation of Flash E2PROM
Devices" IEEE ED-39, No.12DEC, 1992」に記載された
ものがある。この記憶セルの基本的構成は図1に示され
る。
【0003】図1において、記憶セルは、不純物半導体
である例えばp形シリコンからなる基板1に形成された
ソース2及びドレイン3と、このソース、ドレイン間チ
ャネルに沿ってかつその上方に配され例えば酸化物等の
絶縁物により包囲されたフローティングゲート4と、こ
のゲート4の上方に該酸化物を隔てて形成されたコント
ロールゲート5とを有するMOS型の電界効果トランジ
スタ(いわゆるSAMOSトランジスタに代表される)
からなる。図1(a)は、このセルへの書き込みすなわ
ちプログラムの様子を示しており、ゲート電圧VG 及び
ドレイン電圧V D を高レベルとするとホットエレクトロ
ンが発生し、これをフローティングゲート4に蓄積す
る。図1(b)は、セルの記憶情報の消去の様子を示し
ており、ソース電圧VS を高レベルとすることによりフ
ローティングゲート4に蓄積されたエレクトロンをソー
ス2へ引き込み、フローティングゲート4にホールを蓄
積した状態にする。これら図1の(a),(b)から分
かるように、フローティングゲート4中のキャリアを制
御することによって、1つのセルにおける2つの情報記
憶状態をつくる。例えばプログラム状態が論理「0」
に、消去状態が論理「1」に割り当てられる。
【0004】このようにして記憶状態の定められるメモ
リセルの、プログラム状態と消去状態とにおけるドレイ
ン電流ID −ゲート電圧VG の特性が、図2に示され
る。ところで、このようなセルにおいては、1つのセル
は2つの状態しかとり得ず、従って2値の情報(すなわ
ち2進データの1ビット分)しか記憶することができな
いので、今日のメモリの記憶容量の増大化には不利な側
面を有する。
【0005】また一般に、ホットキャリアインジェクシ
ョン(HCI)によるプログラミングは、非常に高速な
プログラミングを達成するが、プログラミングの際に多
量の電流が流れるので、セル及びメモリにおいて消費電
力が増大する傾向があり、しかも当該プログラミングの
際に酸化膜にエレクトロンが補足されること等が原因で
酸化膜を劣化させ、寿命が短縮する恐れがある。
【0006】さらに一方で、メモリの製造工程を簡素化
することは、いわゆる歩留まりの向上やコストの低減を
確保する上で重要である。従って簡素な製造工程に即し
たメモリ及びセルの構成も要求されるところである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した点
に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、メモリの記憶容量の増大化に寄与し得る不揮発性メ
モリ及びそのプログラム/消去/読出方法を提供するこ
とにある。本発明はまた、消費電力を低減し、寿命を延
ばすことができ、しかも簡単な製造工程に即し得る不揮
発性メモリ及びそのプログラム/消去/読出方法を提供
することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による2層フロー
ティングゲート構造のマルチビット対応セルを有する不
揮発性メモリは、半導体基板に所定配列方向に沿って互
いに離隔して形成されたソース及びドレインと、前記半
導体基板の主面の上方において前記ソースと前記ドレイ
ンとの間に配されかつ前記所定配列方向と交差する方向
に延在する単一の第1のフローティングゲートと、前記
第1のフローティングゲートの主面の上方において前記
ドレイン及びソースの間に配されたコントロールゲート
と、前記半導体基板において前記ソース及びドレインと
離隔されて形成された少なくとも1つの高不純物濃度層
と、それぞれ前記第1のフローティングゲートの主面の
上方において前記第1のフローティングゲートと交差し
かつ前記ソース及びドレインとは異なる位置から前記高
不純物濃度層の主面の上方に亘って延在する複数の第2
のフローティングゲートと、前記第2のフローティング
ゲートの各主面の上方にそれぞれ配された複数のプログ
ラムゲートと、を含む記憶セルを有することを特徴とし
ている。
【0009】この不揮発性メモリにおいては、前記ソー
ス及びドレイン,前記第1のフローティングゲート,及
び前記コントロールゲートによって読出用トランジスタ
ブロックが形成され、前記高不純物濃度層,前記第2の
フローティングゲート,及び前記プログラムゲートによ
ってプログラム及び消去用ブロックが形成される。本発
明によるプログラム方法は、上記不揮発性メモリに情報
をプログラムする方法であって、情報をプログラムすべ
き前記第2のフローティングゲートに対応する前記プロ
グラムゲートと前記高不純物濃度層との間に所定のプロ
グラム電圧を印加し、これにより前記高不純物濃度層か
ら誘起されたエレクトロンを前記高不純物濃度層と前記
プログラムゲートとの間の媒介物質にトンネルさせ、前
記第2のフローティングゲートに注入することを特徴と
している。
【0010】本発明による消去方法は、上記不揮発性メ
モリにプログラムされた情報を消去する方法であって、
情報を消去すべき前記第2のフローティングゲートに対
応する前記プログラムゲートと前記高不純物濃度層との
間に所定の消去電圧を印加し、これにより前記第2のフ
ローティングゲートから誘起されたエレクトロンを前記
高不純物濃度層と前記プログラムゲートとの間の媒介物
質にトンネルさせ、前記高不純物濃度層に注入すること
を特徴としている。
【0011】本発明による読出方法は、上記不揮発性メ
モリにプログラムされた情報を読み出す方法であって、
前記コントロールゲートに所定のバイアス電圧を印加
し、前記ソース及び前記ドレインの間において生じるチ
ャネル電流を検知することを特徴としている。
【0012】
【作用】本発明の2層フローティングゲート構造のマル
チビット対応セルを有する不揮発性メモリ及びそのプロ
グラム/消去方法よれば、第2のフローティングゲート
にそれぞれデータビットに対応するキャリアが蓄積さ
れ、第1フローティングゲートによって全ての第2のフ
ローティングゲートに蓄積されたキャリアの総和量に応
じたドレイン電流の閾値が決定される。そして本発明の
読出方法によれば、ソース及びドレインと第1のフロー
ティングゲートとコントロールゲートとにより形成され
るトランジスタ部が、独立した読み出し機能を担う。ま
た、本発明のプログラム/消去方法によれば、ソースや
ドレインとは別個に画定された高不純物濃度層,これに
延びる第2のフローティングゲート,及びこれに対応す
るプログラムゲートにより形成されるブロックが、独立
したプログラム/消去の機能を担い、しかも当該高不純
物濃度層と第2のフローティングゲートとの間でトンネ
リングによるキャリアの蓄積制御が行われる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照しつつ
詳細に説明する。図3は、本発明による不揮発性メモリ
の記憶セルの基本構造を示しており、図1と同等の部分
には同一の符号が付されている。図3において、かかる
記憶セルのトランジスタは、不純物半導体である例えば
p形シリコンからなる基板1に形成された高不純物濃度
層としてのソース2及びドレイン3と、このソース・ド
レイン間チャネルに沿ってかつその上方に配され(もし
くは間をおいて積層され)酸化物により包囲された第1
のフローティングゲート4Aと、この長手状ゲート4A
の上方に形成され(もしくは間をおいて積層され)互い
に隔離して配されかつ酸化物により包囲された少なくと
も2つの第2のフローティングゲート4Bx (x=1,
2,3,……,n)とを有する。第1及び第2のフロー
ティングゲートは、例えばポリシリコンからなり、Si
2で包囲される。
【0014】第2のフローティングゲートは、後述する
プログラミング法によって個々にエレクトロン(または
ホール)のチャージすなわち情報のプログラムが行われ
るとともに、紫外線照射による消去法等の所定の消去法
によって、チャージされたエレクトロン(またはホー
ル)の放出すなわち記憶情報の消去が行われる。また、
後述によって明らかになるように、第2のフローティン
グゲート各々にチャージされたキャリアによって、ドレ
イン電流ID のレベルが制御される。故に、第2フロー
ティングゲートの各々と、記憶すべきデータのビットと
を個別に対応させ、当該ビットデータに応じて第2フロ
ーティングゲートへのキャリアのチャージを行うことに
より、その第2フローティングゲートの数と同じビット
数のデータを記憶することが可能となる。
【0015】より詳しくかつ簡明に説明するため、図4
を用いる。図4は、図3の構造を基本にして第2のフロ
ーティングゲートを2つにして構成した場合の記憶セル
の構造を示しており、図3と同等の部分には同一の符号
が付されている。図4において、ソース2寄りの第2フ
ローティングゲート4B1 は、ドレイン3寄りの第2フ
ローティングゲート4B2 よりも、第1フローティング
ゲート対向面及びその反対側の面においてキャリアをチ
ャージするための有効面積が小さく形成されている。こ
れら両フローティングゲートは、それぞれチャージ可能
なキャリアの量がその有効面積に応じて設定されるので
ある。図5に示されるように、ゲート4B1 とゲート4
2 とで、ホールをチャージした場合及びニュートラル
な状態の場合を論理「1」、エレクトロンをチャージし
た場合を論理「0」とすると、このセルにおいては4通
りの状態が得られる。
【0016】このときのドレイン電流ID −ドレイン電
圧VD の特性が図6に示される。これによれば、ドレイ
ン電圧に対して得られる4通りのドレイン電流値は、全
て異なり、第2フローティングゲート4B2 の該有効面
積が4B1 よりも所定値だけ大なる故に図5の表におい
てドレイン電流の状態を示す符号3,1,4,2の順
に、得られるドレイン電流値が下がり、もって1つのセ
ルにおいて4種類の記憶状態が得られることが分かる。
同様に、図3におけるn個の第2フローティングゲート
の有効面積をそれぞれ異ならしめれば、2n 種類の記憶
状態が得られるのである。
【0017】こうした態様をさらに詳しく分析すれば、
次のようになる。先ず、上記図3の記憶セルの等価回路
を図7に示す。この等価回路は、第2フローティングゲ
ート(FG2)と第1フローティングゲート4Aとの間
の酸化物の各々が、電圧Vx ,電荷Qx を有するキャパ
シタンスCx (x=1,2,…,n)に置き換えられる
とともに、これらキャパシタンスの一端が第1フローテ
ィングゲート4A(FG1)においてそれぞれ共通接続
されさらに基板1のソース・ドレイン間チャネルと第1
フローティングゲート4Aとの間が電圧V0 ,電荷Q0
を有するキャパシタンスC0 によって結ばれる如く形成
される。
【0018】かかる等価回路において、第2フローティ
ングゲートの全てに蓄積される電荷の総量QFG2 は、
【0019】
【数1】
【0020】で表される。また、第1フローティングゲ
ート4Aに蓄積される電荷の総量Q0は、
【0021】
【数2】
【0022】で表される。電荷保存の法則により
【0023】
【数3】
【0024】であるので、第1フローティングゲート4
Aの電圧は、
【0025】
【数4】
【0026】により定められる。ドレイン電流がオンと
なる(立ち上がる)閾値状態にあるとき、基板1のソー
ス・ドレイン間表面電位は、2φf (φf は禁制帯中央
のエネルギEi とフェルミ準位EF との差)に変わり
(従ってVsub =2φf )、第1フローティングゲート
のスレッショルド電圧VthFG1は、
【0027】
【数5】
【0028】で表すことができる。そしてQ0 は、空乏
状態の電荷Qdep と等しくなり、
【0029】
【数6】
【0030】が満たされる。ドレイン電流のオン状態で
は、V0 >VthFG1 であり、第1フローティングゲート
4Aの電圧は、
【0031】
【数7】
【0032】である。ドリフトチャネル電流は、
【0033】
【数8】
【0034】と表すことができる。QN は、反転層の電
荷を表しており、
【0035】
【数9】
【0036】
【数10】
【0037】と書くことができる。ソースからドレイン
までのチャネル電流を積分すると、
【0038】
【数11】
【0039】
【数12】
【0040】となる。かくして、(5)式からも明らか
なように、ドレイン電流を流すための第1フローティン
グゲートの閾電圧は、第2フローティングゲートに帯電
する電荷の和で決定されることとなる。つまり第1フロ
ーティングゲートは、全ての第2フローティングゲート
に蓄積された電荷の総和に基づき、間接的にセルトラン
ジスタの動作を決定する役割を果たす。付言すれば、第
1フローティングゲート4Aがあることにより、1つの
セルトランジスタで、異なる閾電圧を扱うことを可能に
している。またこのような電荷の加算すなわち信号の加
算を容量結合(静電結合)による電圧モードにて行って
いるので、電荷そのものが動く必要性がなく、その加算
に費やされる電力は0に等しい。図4の例では、第2フ
ローティングゲートの有効面積を異ならしめ、キャリア
蓄積量すなわちキャパシタンスC1 ,C2の値を各ゲー
トで変え、いわゆる重み付けを行ったことにより、4つ
の加算結果を得ている。そして同様に、図3におけるn
個の第2フローティングゲートの有効面積をそれぞれ異
ならしめれば、2n 種類の記憶状態が得られることとな
る。
【0041】一方、第2フローティングゲート4B1
び4B2 の主面の面積を互いに同一にして構成し、さら
に等しいバイアスにおいて各第2フローティングゲート
にエレクトロンを注入した場合は、図5のドレイン電流
の状態1と4とで同等のドレイン電流値が得られ、1つ
のセルにおいて3通りの状態しか得られなくなるが、こ
の場合でも1つのセルで3つ以上の状態をつくることが
できる点では有効性がある。但し、入力のデータビット
数の2に対して3つの記憶状態しか得られない点でこれ
を補う必要性がある。
【0042】図8は、図4のセル構造の変形例であり、
第2フローティングゲートの各々において上述の如き有
効面積を互いに同一とするとともに、一方の第2フロー
ティングゲート4B1 から第1フローティングゲート4
Aまでの距離よりも、他方の第2フローティングゲート
4B2 から第1フローティングゲート4Aまでの距離の
方が長く設定されている。つまりd1 <d2 としてい
る。このような構造にしても、各第2フローティングゲ
ートのキャリア蓄積能力が異なるので、上述の図5及び
図6の如き4つの記憶状態をつくることができる。そし
て同様に、図3におけるn個の第2フローティングゲー
トの第1フローティングゲート4Aまでの距離をそれぞ
れ異ならしめれば、図7の等価回路におけるキャパシタ
ンスC1 ないしCn の値を異ならしめることができ、2
n 種類の記憶状態が得られることとなる。
【0043】なお、キャパシタンスC1 ないしCn の値
は、その電極面積すなわち各ゲートの対向面積や、その
電極間隔すなわち各ゲート間距離だけでなく、各ゲート
間の媒介物質の特性にも依存する。従って記憶セルを構
成する際にこれらキャパシタンスの値を定めるパラメー
タのいずれかを所望に設定すれば良い。また、先に示し
た図6のように、ドレイン電流特性が記憶状態の各々で
全て異ならしめるためには、C1 ないしCn の値のみな
らずQ1 ないしQn の値を、2n-1 種類のVth FG1 の値
が得られるよう設定すれば良い。Q1 ないしQn の値
は、プログラム時に個々の第2フローティングゲートへ
エレクトロンを注入する際の各注入エネルギーによって
決まる。
【0044】これまでは、1つのセルにおいて、単一の
第1フローティングゲートに間をおいて積層されかつ適
当なサイズ(すなわちキャリア蓄積能力)を有する第2
フローティングゲートを複数設け、これらに各々ビット
データに応じたキャリアを蓄積すれば、1つのセルに複
数のデータビットを担わすことができることを説明した
が、以下では、具体的なキャリアの蓄積制御法すなわち
プログラミング/イレイス法及び読出法について説明す
る。
【0045】図9は、基板とポリシリコン層との間で
の、いわゆるファウラー−ノルドハイム(Fowler-Nordh
eim )形のトンネリング(以下、FNトンネリングと呼
ぶ)を使って2つの第2フローティングゲートの各々に
プログラムを行うようにした記憶セルの構造を示す平面
図であり、図10はそのX1 −X1 断面図、図11はそ
のX2 −X2 断面図、図12はそのY1 −Y1 断面図、
図13はそのY2 −Y2断面図である。また、これら図
において図4の構造と等価な部分には同一の符号が付さ
れている。
【0046】図9ないし図13において、1つの記憶セ
ルは、当該セルに割り当てられ画定された領域において
読出専用トランジスタを形成するための一対のソース2
及びドレイン3を有する。このソース2及びドレイン3
は、それぞれ高不純物濃度層(例えばn+ )であって、
半導体基板1に所定の配列方向Lにおいて互いに離隔し
て形成される。ソース2及びドレイン3は、かかる画定
領域を配列方向Lに直交する方向Wにおいて略二分する
位置に配される。従ってソース2及びドレイン3の間に
形成されるチャネル領域CHは、当該画定領域の略中心
部に置かれる。
【0047】方向Wにおいて基板1のソース2を挟む2
つの位置にも、ソース2及びドレイン3と同質の高不純
物濃度層21,22が形成される。これら高不純物濃度
層は、プログラム及び消去に用いられる。基板1におい
てはまた、概ね、ソース2,ドレイン3,プログラム及
び消去用高不純物濃度層21,22及びチャネル領域C
Hを除く部分に、電気的絶縁体からなり所定の厚みを有
する絶縁層(いわゆるフィールド。図上、斜線にて示さ
れる)10が形成される。
【0048】例えばSiO2 などの酸化物により包囲さ
れたポリシリコンからなる第1のフローティングゲート
4Aは、平面図上で方向Wに沿って延在する長手状に形
成され、基板1からの上層側においてチャネル領域CH
を通過する形で配される。より詳しくは、第1のフロー
ティングゲート4Aは、フィールド10及びチャネル領
域CHの表面に沿い、方向Wにおいてフィールド10の
上方からチャネル領域CHの上方を通過しフィールド1
0の上方へと延びる。よって第1のフローティングゲー
ト4Aは、図12から分かるようにチャネル領域CHに
対向する位置で窪んだ凹部を有する。
【0049】この第1フローティングゲート4Aの基板
1からの上層側には、例えばSiO 2 などの酸化物によ
り包囲されたポリシリコンからなる第2のフローティン
グゲート4B1 及び4B2 がそれぞれ配される。第2の
フローティングゲート4B1及び4B2 は、互いに離隔
して配されるとともに、平面図上でそれぞれ第1のフロ
ーティングゲート4Aに当該酸化物を介して直角に交差
しかつ方向Lに沿って高不純物濃度層21,22の主面
上方の大部分にまで延在する長手状に形成される。第2
のフローティングゲート4B1 及び4B2 はまた、概ね
第1のフローティングゲート4A及びフィールド10と
厚み方向において重なる部分を除き、基板1(高不純物
濃度層22)に近接して延在する。従って第2のフロー
ティングゲート4B1 及び4B2 は、図10から分かる
ように、方向Lにおける一端側の略半面において第1の
フローティングゲート4A及びフィールド10と部分的
にオーバーラップし、他端側の略半面において高不純物
濃度層22にオーバーラップする形を採る。これらゲー
ト4B1 及び4B2 は、図4において説明した如き有効
面積を、方向Wにおける幅により設定されている。
【0050】また、第2のフローティングゲート4B2
の高不純物濃度層22側端部には、図10に示されるよ
うに、高不純物濃度層22の表面に対し所定の短距離t
oxを置くためのトンネル酸化膜形成部4B20が形成され
る。このトンネル酸化膜形成部4B20において、後述の
FNトンネリングによるプログラム及び消去が達成され
る。第2のフローティングゲート4B1 についても同様
に、その高不純物濃度層21側端部にトンネル酸化膜形
成部4B10が形成される。
【0051】第1のフローティングゲート4Aの基板1
からの上層側にはさらに、同じく酸化物を介してポリシ
リコンゲート(以下、コントロールゲートと称する)5
が配される。コントロールゲート5は、第1のフローテ
ィングゲート4Aに酸化物を介して直角に交差し、かつ
平面図上ドレイン3の端部近傍から方向Lに沿って延在
する長手状に形成される。コントロールゲート5はま
た、図11から分かるように、第1のフローティングゲ
ート4Aとの厚み方向における重なり部分を除き、当該
ゲート4Aの層と略同等の距離にて基板1(ソース2)
に近接するよう形成される。
【0052】第2のフローティングゲート4B1 及び4
2 の高不純物濃度層21,22側には、同じく酸化物
を介してポリシリコンゲート(以下、プログラムゲート
と称する)61 及び62 がそれぞれ積層する。より詳し
くは、プログラムゲート61,62 は、第2フローティ
ングゲート4B1 及び4B2 のトンネル酸化膜形成部4
10,4B20の近傍から、第1のフローティングゲート
4A寄りの高不純物濃度層21,22の端部近傍に亘
り、しかも第2のフローティングゲート4B1 及び4B
2 と方向Wにおける同等の幅をもって、第2のフローテ
ィングゲート4B 1 及び4B2 の上方に形成される。
【0053】フィールド10は、ソース2及びドレイン
3からなる読出用の高不純物濃度層対と、一方のビット
に対応するプログラム及び消去用の高不純物濃度層21
と、他方のビットに対応するプログラム及び消去用の高
不純物濃度層22とを、それぞれ電気的に隔離させる。
より詳しくは、フィールド10は、ソース2及びドレイ
ン3並びにチャネル領域CHと、これらの部分に割り当
てられた第1のフローティングゲート4Aの一部及びコ
ントロールゲート5とを、読出部として包囲する如く形
成され(特に図11及び図13参照)、高不純物濃度層
21,22と、これに割り当てられた第2のフローティ
ングゲート4B1 ,4B2 の一部及びプログラムゲート
1 ,62 とを、一方及び他方のビットに対応する個々
のプログラム及び消去部として包囲する如く形成される
(特に図10及び図13参照)。
【0054】換言すれば、第2のフローティングゲート
4B1 はプログラムゲート61 及び高不純物濃度層21
と共に、第2のフローティングゲート4B2 はプログラ
ムゲート62 及び高不純物濃度層22と共に、それぞれ
独立したプログラム及び消去を行うための1組の1ビッ
ト対応ブロックを成し、第1のフローティングゲート4
1 は、ソース2及びドレイン3並びにコントロールゲ
ート5と共に独立した読出を行うためのトランジスタを
形成している。
【0055】高不純物濃度層22を伴う1ビット対応ブ
ロック(図10)の等価回路を図14に示す。先ず図1
4の(A)に示されるように、プログラムゲート62
第2フローティングゲート4B2 (トンネル酸化膜形成
部4B20)との間の酸化物はキャパシタンスC1 に、第
1フローティングゲート4B2 (トンネル酸化膜形成部
4B20)と高不純物濃度層22との間の酸化物はキャパ
シタンスC2 に、それぞれ置き換えることができる。こ
れをさらにモード毎に書き直したのが図14の(B),
(C)の回路図である。
【0056】ここで、第2フローティングゲート4B2
に蓄積される電荷量は、各キャパシタンスのカップリン
グによって定まる。例えばキャパシタンスC2 の値は、
図10に示される如き酸化膜の厚さtox及びそのキャパ
シタンスを形成する電極面積すなわち第1フローティン
グゲート4B2 と高不純物濃度層22との厚み方向にお
ける重複面積でほぼ決まる。従って、この厚さもしくは
面積を第2フローティングゲート毎に変えて設定すれ
ば、図4及び図8において説明した如き重み付けをなす
ことができる。また他にも、キャパシタンスC1 等の値
を変えることにより重み付けをなすこともできる。
【0057】かかる等価回路を形成するブロックは、プ
ログラムモードにおいて、図14の(B)に示されるよ
うに、プログラムゲート62 に所定の高電圧VP が印加
され、所定のプログラム電圧とすべく高不純物濃度層2
2が接地される。これにより、トンネル酸化膜形成部4
20とこれに対向する高不純物濃度層22との間でFN
トンネリングが起こり、高不純物濃度層22からのエレ
クトロンがトンネル酸化膜を通過して第2フローティン
グゲート4B2 に注入される。第2フローティングゲー
ト4B1 へのプログラムモードについてもプログラムゲ
ート61 及び高不純物濃度層21を使って同様に行われ
る。
【0058】なお、一方の第2フローティングゲートに
対するプログラム実行中において発生したエレクトロン
は、他方の第2フローティングゲートへ注入されにくい
構造となっている。すなわち、エレクトロンの発生する
高不純物濃度層21,22は個々に独立しており、しか
も各高不純物濃度層は絶縁層10によってそのキャリア
の外部への移動を遮られているので、第2フローティン
グゲート個々の耐圧が向上し、プログラム時に発生する
リーク電流を抑えることができるのである。
【0059】消去モードにおいては、紫外線消去はもと
より、プログラミングと同様のFNトンネリングで電気
的消去が可能である。この電気的消去をなすために、図
14の(C)に示されるように、高不純物濃度層22に
所定の高電圧VS が印加され、所定の消去電圧とすべく
プログラムゲート62 が接地される。これにより、トン
ネル酸化膜形成部4B20とこれに対向する高不純物濃度
層22との間でFNトンネリングが起こり、第2フロー
ティングゲート4B2 に注入されたエレクトロンがトン
ネル酸化膜を通過して高不純物濃度層22に引き抜かれ
る。第2フローティングゲート4B1 の消去モードにつ
いてもプログラムゲート61 及び高不純物濃度層21を
使って同様に行われる。
【0060】第2フローティングゲート4B2 (4B
1 )の電位V1 は、
【0061】
【数13】 プログラム時: V1 =VP・C2/(C1+C2) 消 去 時: V1 =VS・C1/(C1+C2) である。ここで、C1 =C2 とすると、V1 はプログラ
ム時に印加電圧VP の半分の電圧まで引き上げられる。
例えばトンネリングに必要な電圧が10[V]とすれ
ば、プログラム時にVP =20[V]を与えると高不純
物濃度層22(21)からエレクトロンがトンネル酸化
膜をトンネルして第2フローティングゲート4B2(4
1 )に注入されることが可能となり、消去時にVS
20[V]を与えると第2フローティングゲート4B2
(4B1 )からエレクトロンがトンネル酸化膜をトンネ
ルして高不純物濃度層22(21)に引き抜かれること
が可能となる。
【0062】一方、読出モードにおいては、ドレイン
3,第1フローティングゲート4A,ソース2によって
形成される読出(センス)用のトランジスタが機能す
る。この読出用トランジスタは、上述した如き高不純物
濃度層21,22らを有して形成されるプログラム及び
消去用のブロックとは独立して動作させることが可能で
ある。
【0063】すなわち、コントロールゲート5に所定の
電圧を印加してドレイン3とソース2との間に流れる電
流量(チャネル電流)を検知することによって、第2フ
ローティングゲート4B1 及び4B2 に帯電した電荷の
総和により決定された第1フローティングゲート4Aの
閾電圧が分かり、従って高不純物濃度層21,22を使
用しなくとも記憶情報を読み出すことができる。
【0064】このような独立した読出専用のトランジス
タによれば、当該読出用トランジスタにおけるチャネル
幅を短く維持し得るので、読出時の消費電力の低減に寄
与することができる。また、この読出用トランジスタ
は、図11から分かるように、一般的なEEPROM用
のMOSトランジスタの構造と実質的に同じで、ドレイ
ン3と第1フローティングゲート4Aとは極めて近接し
ている。つまりチャネル長を可及的に短くしている。故
に、かかるドレイン3と第1フローティングゲート4A
との間において寄生成分(寄生抵抗,寄生容量など)が
生じにくく好ましい。特に寄生抵抗は読出時に悪影響を
及ぼすものなのである。
【0065】例えばもしもドレイン3が、図15に示さ
れるように第1フローティングゲート4Aから相当距離
0 だけ離れて配されているとすると、この離間距離d
0 に起因する寄生抵抗が生じ、コントロールゲート電圧
G に対するドレイン電流I D の特性は、図16の点線
に示されるように線形性を保てなくなってしまう。これ
に対して図11のような第1フローティングゲート4A
からの離間距離の小さいドレイン3により形成される読
出用トランジスタでは、寄生抵抗が生じなくて済み、図
16の実線に示されるような線形性を保つことができる
のである。実際、寄生抵抗による線形性の崩壊は、読出
モードにおいて当該ドレイン電流を検知するためのセン
スアンプの構成を複雑化させる。何故なら、非線形成分
を考慮に入れてドレイン電流を検知しなければならない
からである。
【0066】また、寄生抵抗成分が小さいことによって
読出用トランジスタ自体の応答性が良くなり、もって読
出速度が向上、さらに低消費電力化に寄与することとな
る。他方、読出用トランジスタがプログラムゲートとは
電気的に離れていることにより、読み出し時に第2フロ
ーティングゲートに対しいわゆるソフト・イレイス/ラ
イトの問題が生じにくい、という利点もある。
【0067】本実施例の記憶セルにおいては、FNトン
ネリングによりプログラム及び消去が行われるので、ホ
ットキャリアインジェクション(HCI)によって生ず
るような多量の電流を流す必要がなく、消費電力の低減
に寄与しかつ酸化膜の劣化を抑えて寿命を延ばすことが
できる。図17は、さらに改善した記憶セルの構造を示
す平面図であり、図18はそのX3 −X3 断面図、図1
9はそのY3 −Y3 断面図、図20はそのY4 −Y4
面図である。また、これら図において図9ないし図13
と等価な部分には同一の符号が付され、図17のX4
4 断面図は実質的に先の図11と同じであるので省略
する。
【0068】図17ないし図20において、先述した記
憶セルと異なる大きな特徴は、プログラム及び消去用の
高不純物濃度層が1つにまとめられている点である。か
かるプログラム及び消去用の単一の高不純物濃度層30
はまた、第1のフローティングゲート4Aを基準にして
ドレイン3側に配され、これに第2のフローティングゲ
ート4B1 ,4B2 及びプログラムゲート61 ,62
が、図9ないし図13と同様、それぞれ対応するデータ
ビット毎に順に酸化物を介して積層される。
【0069】高不純物濃度層30に対しても、第2フロ
ーティングゲート4B1 ,4B2 の先端部には上記した
如きトンネル酸化膜形成部4B10,4B20が形成され
る。また、フィールド10と他のゲート及び高不純物濃
度層との関係も、図9ないし図13と同様である。この
ような構造によれば、図9ないし図13の記憶セルと同
様の作用効果を奏し得るとともに、プログラム及び消去
用ブロック、すなわち高不純物濃度層30,第2フロー
ティングゲート4B1 ,4B2 ,及びプログラムゲート
1 ,62に要する面積を小さくするのに有利となる。
図9に示したように個々のビット対応のプログラム及び
消去用ブロックが、読出用トランジスタブロックを挟み
離散して配されるよりも、図17に示されるように、読
出用トランジスタブロックを挟むことなく、プログラム
及び消去に用いられる高不純物濃度層の共通化を図って
位置的に各ビット対応のプログラム及び消去用ブロック
を集めた方が、記憶セル全体に必要な面積が小さくて済
むのである。このことは1つの記憶セルが担うべきビッ
ト数が多くなるほど有効となる。
【0070】但し、図9に示した記憶セルは、第2フロ
ーティング毎に消去可能であるのに対し、図17に示し
た記憶セルは、単一の高不純物濃度層30によって全て
の第2フローティングゲートにつき一度に消去が行われ
る。次に、本発明による記憶セルの、製造工程上の有利
性につき述べる。図21ないし図24は、図17ないし
図20に示した記憶セルの製造プロセスを示しており、
先ず図21のように、記憶セル毎にフィールド絶縁層1
0が半導体基板1に形成され、次いで1層目のポリシリ
コンゲートである第1のフローティングゲート4Aが図
22のように形成される。そして図23のように、この
状態でソース2,ドレイン3及びプログラム/消去用高
不純物濃度層30を形成すべく、イオン注入ないし熱拡
散が行われる。このように各高不純物濃度層の形成にお
いては、第1のフローティングゲート4Aが一部のマス
ク(ソース及びドレイン領域を画定するためのマスク)
の役目を果たすことにより、セルフアライン・インプラ
ンテーション(self-alignment implantation )が達成
され、読出用のトランジスタを担うソース2及びドレイ
ン3のエッジと第1のフローティングゲート4Aとがオ
フセット構造となることなく、整合性のとれたものとな
る。また、図23の工程では、全ての高不純物濃度層を
マスクなしで同時に形成することができるので、全体の
プロセス工程数の削減に寄与することとなる。
【0071】各高不純物濃度層の形成後は、図24のよ
うにそれぞれ2層目のポリシリコンゲートである第2の
フローティングゲート4B1 ,4B2 及びコントロール
ゲート5が形成される。そして最後に、先の図17のよ
うに、3層目のポリシリコンゲートであるプログラムゲ
ート61 ,62 が第2フローティングゲート4B1 ,4
2 上に配され、記憶セルの主要な製造プロセスが終了
する。
【0072】図9ないし図13に示した個別消去可能な
記憶セルも同様の流れで製造することができ、読出用の
トランジスタを担うソース2及びドレイン3のエッジと
第1のフローティングゲート4Aとがオフセット構造と
なることなく良好な整合性を維持することができる。た
だ、かかる個別消去可能な記憶セルは、プログラム/消
去用の高不純物濃度層を個々に形成する必要があるの
で、より微細な加工技術が要求される。
【0073】かくして本発明による記憶セルは、フィー
ルド形成工程,高不純物濃度層の形成工程及びポリシリ
コンゲートの形成工程において、既存の技術を適応して
製造され得るので、簡素な製造工程を維持し、もって歩
留まりの向上及びコストの低減に寄与することができ
る。なお、上記した各例では、第2のフローティングゲ
ートの数を2としたが、3以上であっても構わない。こ
の場合は、図9においては、第1フローティングゲート
をさらにW方向に延ばし、第2フローティングゲートの
各々をW方向にそのサイズを変えこれと組をなすプログ
ラムゲート及び高不純物濃度層とともに配列して構成す
れば良い。また、図17においても、第1フローティン
グゲート及び高不純物濃度層をさらにW方向に延ばし、
第2フローティングゲートの各々をW方向にそのサイズ
を変えこれと組をなすプログラムゲートとともに配列し
て構成すれば良い。そしてこの場合でも同様に上述のよ
うなプログラミングを第2フローティングゲート毎に行
うことができる。
【0074】また、図9においては読出用のトランジス
タを記憶セルの中央部に形成したが、これに限定される
ことなく、プログラム/消去用の高不順物濃度層とは別
に形成されかつ第1フローティングゲート近傍まで延び
るソース及びドレインと第1フローティングゲートとコ
ントロールゲートとを有して成る読出用のトランジスタ
を構成することができればどの位置に形成しても良い。
【0075】また、上記実施例においては、半導体基板
1をp形シリコンとして説明したが、これに限定される
ことなく、n形でも良いし、他の半導体であっても良
い。また、ソースやドレインをはじめ、プログラム/消
去用高不純物濃度層やフローティングゲート、プログラ
ムゲート、コントロールゲート並びに他の酸化物につい
ても、様々な材料及び形態により構成することができ、
当業者の設計可能な範囲で上記各実施例は適宜改変可能
である。
【0076】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
メモリの記憶容量の増大化に寄与することができ、ま
た、消費電力を低減しかつ寿命を延ばすことができ、し
かも簡単な製造工程に即し得る不揮発性メモリ及びその
プログラム/消去/読出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】フローティングゲート及びコントロールゲート
を有するトランジスタからなる記憶セルの基本的構成を
示す断面図。
【図2】図1のメモリセルの、プログラム状態と消去状
態とにおけるドレイン電流ID−ゲート電圧VG の特性
図。
【図3】本発明による不揮発性メモリの記憶セルの基本
構造を示す断面図。
【図4】図3の構造を基本にして第2のフローティング
ゲートを2つにして構成した場合の記憶セルの構造を示
す断面図。
【図5】図4の記憶セルの記憶状態を示す図表。
【図6】図5の表における各記憶状態におけるドレイン
電流ID −ドレイン電圧VD の特性図。
【図7】図3の記憶セルの等価回路を示す図。
【図8】図4の構造の変形例を示す断面図。
【図9】図4の構造を基本に、FNトンネリングを使っ
て第2フローティングゲートの各々にキャリアを蓄積制
御するようにした本発明による一実施例の記憶セルの構
造を示す平面図。
【図10】図9の記憶セルのX1 −X1 断面図。
【図11】図9の記憶セルのX2 −X2 断面図。
【図12】図9の記憶セルのY1 −Y1 断面図。
【図13】図9の記憶セルのY2 −Y2 断面図。
【図14】図9の記憶セルのプログラム/消去用の1ビ
ット対応ブロックの等価回路図。
【図15】図9の記憶セルにおいてドレインが第1フロ
ーティングゲートから遠隔配置されていると仮定した場
合のX2 −X2 断面図。
【図16】図9の記憶セルの効果を説明するための、各
記憶状態におけるドレイン電流I D とコントロールゲー
ト電圧VG との関係を示す特性図。
【図17】本発明による他の実施例の記憶セルの構造を
示す平面図。
【図18】図17の記憶セルのX3 −X3 断面図。
【図19】図17の記憶セルのY3 −X3 断面図。
【図20】図17の記憶セルのY4 −Y4 断面図。
【図21】図17の記憶セルの製造プロセスにおける絶
縁層の形成態様を示す図。
【図22】図17の記憶セルの製造プロセスにおける第
1フローティングゲートの形成態様を示す図。
【図23】図17の記憶セルの製造プロセスにおけるソ
ース及びドレイン並びにプログラム/消去用高不純物濃
度層の形成態様を示す図。
【図24】図17の記憶セルの製造プロセスにおける第
2フローティングゲート及びコントロールゲートの形成
態様を示す図。
【符号の説明】
1 半導体基板 10 絶縁層(フィールド) 2 ソース 3 ドレイン 4A 第1フローティングゲート 4B1 〜4Bn 第2フローティングゲート 4B20 トンネル酸化膜形成部 5 コントロールゲート 61 ,62 プログラムゲート CH チャネル領域 21,22,30 プログラム及び消去用高不純物濃度
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/115

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板に所定配列方向に沿って互い
    に離隔して形成されたソース及びドレインと、前記半導
    体基板の主面の上方において前記ソースと前記ドレイン
    との間に配されかつ前記所定配列方向と交差する方向に
    延在する単一の第1のフローティングゲートと、前記第
    1のフローティングゲートの主面の上方において前記ド
    レイン及びソースの間に配されたコントロールゲート
    と、前記半導体基板において前記ソース及びドレインと
    離隔されて形成された少なくとも1つの高不純物濃度層
    と、それぞれ前記第1のフローティングゲートの主面の
    上方において前記第1のフローティングゲートと交差し
    かつ前記ソース及びドレインとは異なる位置から前記高
    不純物濃度層の主面の上方に亘って延在する複数の第2
    のフローティングゲートと、前記第2のフローティング
    ゲートの各主面の上方にそれぞれ配された複数のプログ
    ラムゲートと、を含む記憶セルを有することを特徴とす
    る2層フローティングゲート構造のマルチビット対応セ
    ルを有する不揮発性メモリ。
  2. 【請求項2】 前記第2のフローティングゲートは、前
    記第1のフローティングゲートとの対向面の面積がそれ
    ぞれ異なることを特徴とする請求項1記載の不揮発性メ
    モリ。
  3. 【請求項3】 前記第2のフローティングゲートは、前
    記第1のフローティングゲートと対向する位置において
    前記第1のフローティングゲートからの距離がそれぞれ
    異なることを特徴とする請求項1記載の不揮発性メモ
    リ。
  4. 【請求項4】 前記高不純物濃度層は、前記第2のフロ
    ーティングゲートに対応する数だけ形成されていること
    を特徴とする請求項1,2または3記載の不揮発性メモ
    リ。
  5. 【請求項5】 前記記憶セルは、前記ソース及びドレイ
    ンと前記高不純物濃度層とを電気的に隔離する絶縁層を
    さらに有することを特徴とする請求項1,2,3または
    4記載の不揮発性メモリ。
  6. 【請求項6】 前記絶縁層は、前記高不純物濃度層の主
    面の上方において前記第2のフローティングゲート及び
    /または前記プログラムゲートを包囲することを特徴と
    する請求項5記載の不揮発性メモリ。
  7. 【請求項7】 前記第2のフローティングゲートの前記
    高不純物濃度層への対向面に、前記第2のフローティン
    グゲートと前記高不純物濃度層との間に所定の厚さの酸
    化膜を形成するためのトンネル酸化膜形成部を有するこ
    とを特徴とする請求項1ないし6のうちのいずれか1つ
    に記載の不揮発性メモリ。
  8. 【請求項8】 前記ソース及びドレイン,前記第1のフ
    ローティングゲート,及び前記コントロールゲートによ
    って読出用トランジスタブロックが形成され、前記高不
    純物濃度層,前記第2のフローティングゲート,及び前
    記プログラムゲートによってプログラム及び消去用ブロ
    ックが形成されることを特徴とする請求項1ないし7の
    うちのいずれか1つに記載の不揮発性メモリ。
  9. 【請求項9】 請求項8に記載の不揮発性メモリに情報
    をプログラムする方法であって、 情報をプログラムすべき前記第2のフローティングゲー
    トに対応する前記プログラムゲートと前記高不純物濃度
    層との間に所定のプログラム電圧を印加し、これにより
    前記高不純物濃度層から誘起されたエレクトロンを前記
    高不純物濃度層と前記プログラムゲートとの間の媒介物
    質にトンネルさせ、前記第2のフローティングゲートに
    注入することを特徴とするプログラム方法。
  10. 【請求項10】 請求項8に記載の不揮発性メモリにプ
    ログラムされた情報を消去する方法であって、 情報を消去すべき前記第2のフローティングゲートに対
    応する前記プログラムゲートと前記高不純物濃度層との
    間に所定の消去電圧を印加し、これにより前記第2のフ
    ローティングゲートから誘起されたエレクトロンを前記
    高不純物濃度層と前記プログラムゲートとの間の媒介物
    質にトンネルさせ、前記高不純物濃度層に注入すること
    を特徴とするプログラム方法。
  11. 【請求項11】 請求項8に記載の不揮発性メモリにプ
    ログラムされた情報を読み出す方法であって、 前記コントロールゲートに所定のバイアス電圧を印加
    し、前記ソース及び前記ドレインの間において生じるチ
    ャネル電流を検知することを特徴とする読出方法。
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