JP2005260235A - Embedded bit line type nonvolatile floating gate memory cell having independently controllable control gate in trench, array of cell, and method for manufacturing cell - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2003年4月7日出願の係属中の特許出願番号10/409,407の部分継続出願であり、その開示内容は引用によって本明細書に組み込まれている。 This application is a continuation-in-part of pending application Ser. No. 10 / 409,407, filed Apr. 7, 2003, the disclosure of which is incorporated herein by reference.
本発明は、電荷を蓄えるためにトレンチ内の浮遊ゲートを使用する埋込ビット線型読取り/プログラム不揮発性メモリセルに関する。詳細には、本発明は、やはりトレンチ内で浮遊ゲートに容量結合された独立制御可能な制御ゲートを有する不揮発性メモリセル、そのようなセルのアレイ、及び製造方法に関する。 The present invention relates to a buried bit line read / program nonvolatile memory cell that uses a floating gate in a trench to store charge. In particular, the present invention relates to a non-volatile memory cell having an independently controllable control gate that is also capacitively coupled to a floating gate in a trench, an array of such cells, and a method of manufacturing.
半導体基板の平面上に形成された記憶用の浮遊ゲートを使用する読取り/プログラム不揮発性メモリセルは、本技術分野ではよく知られている。例えば、米国特許第5,029,130号及び第6,426,896号を参照されたい。一般に、この形式のメモリセルは、半導体基板の水平面上に形成され、ホット電子注入による浮遊ゲートのプログラム及びポリ間のファウラーノルドハイムトンネル現象による浮遊ゲートからの電子の消去を含む。浮遊ゲートは電荷を蓄えるか又は蓄えない。浮遊ゲートに蓄えられた電荷は、トランジスタのプレーナチャネル内の電荷の伝導を制御する。半導体処理の集積度が高くなるとこのような記憶デバイスの密度を高めることが望まれる。 Read / program non-volatile memory cells that use floating gates for storage formed on the plane of a semiconductor substrate are well known in the art. See, for example, US Pat. Nos. 5,029,130 and 6,426,896. In general, this type of memory cell is formed on a horizontal plane of a semiconductor substrate and includes programming of the floating gate by hot electron injection and erasure of electrons from the floating gate by Fowler-Nordheim tunneling between polys. The floating gate stores or does not store charge. The charge stored in the floating gate controls the conduction of charge in the planar channel of the transistor. As the degree of integration of semiconductor processing increases, it is desirable to increase the density of such storage devices.
しかしながら、高密度の記憶デバイスに対する要求が高まるにつれて、半導体基板のこのようなセルの密度を高めることが必要になる。 However, as the demand for high density storage devices increases, it is necessary to increase the density of such cells in the semiconductor substrate.
本発明において、不揮発性メモリセルは、トレンチを備えた実質的に平坦な表面を有する、第1の導電型の実質的に単結晶の半導体材料内に形成される。トレンチは、側壁及び底壁を有する。第1の導電型とは異なる第2の導電型の第1の領域は、平面に沿って半導体材料内に存在する。第2の導電型の第2の領域は、トレンチの底壁に沿って半導体材料内に存在する。チャネル領域は、第1の部分及び第2の部分を有し、電荷の伝導のために第1の領域と第2の領域とを接続する。第1の部分は、第1の領域に隣接する表面に沿い、第2の部分は、第2の領域に隣接する側壁に沿う。チャネル領域上には誘電体がある。浮遊ゲートはトレンチの誘電体を覆い、チャネル領域の第2の部分から離間している。第1のゲート電極は誘電体を覆い、チャネル領域の第1の部分から離間している。第2のゲート電極はトレンチ内にあり、浮遊ゲートと容量結合している。
本発明はまた、上記不揮発性メモリセルのアレイ、及び該不揮発性メモリセル並びに該アレイの製造方法に関する。
In the present invention, a non-volatile memory cell is formed in a substantially single crystal semiconductor material of a first conductivity type having a substantially flat surface with a trench. The trench has a side wall and a bottom wall. The first region of the second conductivity type different from the first conductivity type exists in the semiconductor material along the plane. A second region of the second conductivity type is present in the semiconductor material along the bottom wall of the trench. The channel region has a first portion and a second portion and connects the first region and the second region for charge conduction. The first portion is along the surface adjacent to the first region, and the second portion is along the sidewall adjacent to the second region. There is a dielectric over the channel region. The floating gate covers the dielectric of the trench and is spaced from the second portion of the channel region. The first gate electrode covers the dielectric and is spaced from the first portion of the channel region. The second gate electrode is in the trench and is capacitively coupled to the floating gate.
The present invention also relates to an array of the nonvolatile memory cells, the nonvolatile memory cells, and a method for manufacturing the array.
図1Aから1F、及び図2Aから2Rは本発明の方法を示し、本発明のメモリセルアレイを形成する処理工程を示している。本方法は、好ましくはP型であり本技術分野ではよく知られている半導体基板10から始まる。以下に説明する各層の厚さは、設計ルール及び処理技術の世代に依存するであろう。本明細書では、0.10ミクロン処理を説明する。しかしながら、当業者であれば、本発明はいずれかの特定の世代の処理技術に限定さないこと、又は以下に説明するいずれかの処理パラメータのどの特定の値にも限定されないことを理解できるであろう。
1A to 1F and FIGS. 2A to 2R illustrate the method of the present invention and illustrate the process steps for forming the memory cell array of the present invention. The method starts with a
分離領域の形成
図1Aから1Fは、基板上に分離領域を形成するための公知のSTI法を示す。図1Aを参照すると、半導体基板10(又は半導体井戸)の平面図が示されており、好ましくはP型であり本技術分野では公知である。第1の材料層12及び第2の材料層14は、基板上に形成される(例えば、成長法又は蒸着法)。例えば、第1の層12は、二酸化ケイ素(以下「酸化物」と呼ぶ)とすることができ、酸化又は酸化物蒸着(例えば、化学蒸着法又はCVD)といった任意の公知の方法で、基板10上に約60から150オングストロームの厚さで形成される。第2の層14は、窒化ケイ素(以下「窒化物」と呼ぶ)とすることができ、CVD法で酸化物層12上に約1000から2000オングストロームの厚さで形成されることが好ましい。図1Bは、結果として得られた構造体の断面図を示す。
Formation of Isolation Region FIGS. 1A through 1F show a known STI method for forming an isolation region on a substrate. Referring to FIG. 1A, a plan view of a semiconductor substrate 10 (or semiconductor well) is shown, preferably P-type, as is known in the art. The
第1の層12及び第2の層14の形成後に、窒化物層14上には適切なフォトレジスト材16が塗布され、次に、マスキング工程が行われ、図1Cに示すようにY方向又は縦方向に延びる特定領域(帯18)からフォトレジスト材が選択的に除去される。フォトレジスト材16が除去された場所では、標準的なエッチング処理(つまり、異方性窒化物及び酸化物エッチング処理)を使用して、帯18内の露出した窒化物層14及び酸化物層12がエッチング除去され、構造体内にトレンチ20が形成される。隣接する帯18の間の距離Wは、使用される処理工程の最小リソグラフィック形状サイズと同程度に小さくすることができる。次に、図1Dに示すように、シリコンエッチング処理は、トレンチ20をシリコン基板10内に約500から4000オングストロームの深さまで下方へ延ばすために使用される。フォトレジスト材16が除去されていない場所では、窒化物層14及び酸化物層12は残っている。図1Dに示す結果として得られた構造体は、分離領域24と交互になった活性領域22を有する。
After the formation of the
構造体は更に処理されて残留フォトレジスト材16が除去される。次に、図1Eに示すように、二酸化ケイ素等の分離材料は、厚い酸化物層を蒸着した後に第1のトレンチ20内の酸化物ブロック26以外の酸化物層を除去するための化学機械研磨CMP法(窒化物層14をエッチングストッパとして用いて)によって第1のトレンチ20内に形成される。次に、図1Fに示すように、残留窒化物層14及び酸化物層12は、分離領域24に沿って延びるSTI酸化物ブロック26を残して、窒化物/酸化物エッチング法により除去される。
The structure is further processed to remove residual
前述のSTI分離法は分離領域24を形成する好ましい方法である。しかしながら、公知のLOCOS分離法(例えば、LOCOS、ポリバッファLOCOS等)を使用することもでき、この場合、トレンチ20は基板内に延びず、分離材料は帯領域18内の基板表面上に形成することができる。図1Aから1Fは基板のメモリセルアレイ領域を示しており、メモリセルのカラムは、分離領域24によって分離された活性領域22に形成されることになる。基板10は、少なくとも1つの周縁領域を含み、ここにはメモリセルアレイ領域内に形成されたメモリセルを作動させための制御回路が形成されることに留意されたい。また、分離ブロック26は、前述の同じSTI又はLOCOS処理中に周縁領域内に形成されることが好ましい。
The aforementioned STI isolation method is a preferred method for forming the
メモリセル形成
図1Fに示す構造体は更に以下のように処理される。図2Aから2Qは、構造体の活性領域22を図1Fの構造体に直交する方向(図1C及び1Fに示す線2A−2Aに沿う)から見た断面図を示す。
Memory Cell Formation The structure shown in FIG. 1F is further processed as follows. 2A to 2Q show cross-sectional views of the
図2Aに示すように、まず絶縁層30(好ましくは酸化物)が基板10上に形成される。記憶デバイスのセルアレイ部分の周縁領域に対する良好な独立制御のために、この時点で基板10の活性領域22部分をドープすることができる。このドープ処理は、Vt注入又はセルウエル注入と呼ばれる場合が多く、本技術分野ではよく知られている。この注入時に、周縁領域は、構造体全体にわたって蒸着され基板のメモリセルアレイ領域だけから除去されるフォトレジスト層によって保護される。
As shown in FIG. 2A, an insulating layer 30 (preferably an oxide) is first formed on the
次に、窒化物等の硬質マスク材の厚い層32(例えば、厚さ〜3500Å)は、酸化物層30上に形成される。複数の平行な第2のトレンチ34は、フォトレジスト(マスキング)材料を窒化物層32上に塗布し、次に、選択されている平行帯領域からフォトレジスト材を除去するためのマスキング処理を行うことによって窒化物層32内に形成される。異方性窒化物エッチング処理は、帯領域内の窒化物層32の露出部分を除去して、酸化物層30まで下方に延びこれを露出させる第2のトレンチ34を形成するために使用される。フォトレジスト材を除去した後、異方性酸化物エッチング処理は、酸化物層30の露出部分を除去して、第2のトレンチ34を基板10まで下方へ延ばすために使用される。次に、シリコン異方性エッチング処理は、第2のトレンチ34を各々の活性領域22の基板10内まで下方へ延ばすために使用される(例えば、約0.15um技術であれば約0.15umの深さといった、約1の形状サイズに相当する深さまで下方へ)。もしくは、フォトレジスト材は、トレンチ34が基板10内に形成された後に除去することもできる。図2Bは結果として得られる活性領域22を示す。
Next, a
次に、絶縁材層36(例えば、厚さ〜70Åから120Å)は、第2のトレンチ34の底壁及び下方側壁を形成する第2のトレンチ34の露出されたシリコンに沿って形成される(好ましくは熱酸化処理にて)。次に、第2のトレンチ34を充填するポリシリコン(以下、「ポリ」と呼ぶ)の厚い層38が構造体上に形成される。ポリ層38は、イオン注入によって、又はインサイチュ(in−situ)処理によってドープすることができる(例えば、n+)。図2Cは、結果として得られた活性領域22を示す。
Next, an insulator layer 36 (eg, a thickness of ~ 70 to 120 inches) is formed along the exposed silicon of the second trench 34 that forms the bottom and lower sidewalls of the second trench 34 (see FIG. Preferably by thermal oxidation treatment). Next, a
ポリエッチング処理(例えば、窒化物層32をエッチングストッパとして使用するCMP処理)は、第2のトレンチ34内に残留するポリシリコン38のブロック40以外のポリ層38を除去するために使用される。次に、制御されたポリエッチング処理は、ポリブロック40の高さを低くするために使用され、図2Dに示すように、ポリブロック40の上端は、基板表面よりも上に位置するが分離領域24のSTIブロック26の上端よりも下に位置することになる。
A poly etch process (eg, a CMP process using the
次に、別のポリエッチングが行われ、ポリブロック40の上端(第2のトレンチの側壁に隣接した)に傾斜部42が形成される。次に、窒化物スペーサ44は、ポリブロック40の傾斜部42より上方で第2のトレンチの側壁に沿って形成される。スペーサを形成することは本技術分野ではよく知られており、構造体の外形の全体を覆う特定の材料の蒸着、及びこれに続く異方性エッチングを含み、これにより構造体の水平面からこの材料は除去されるが、構造体の垂直方向の表面上には殆どそのままこの材料が残るようになる。スペーサ44は、酸化物や窒化物等の任意の誘電体で形成することができる。本発明において、絶縁スペーサ44は、構造体の全体にわたって窒化物層を蒸着し、次に、スペーサ44以外の蒸着窒化物層を除去するための公知の反応性イオンエッチング(RIE)等の異方性窒化物エッチング処理を施すことによって形成される。図2Eは、結果として得られた活性領域22を示す。スペーサ44がポリブロック40の傾斜部42で形成される先端部の鋭度を高めるために使用される場合には、窒化物スペーサ44の形成は随意的であることに留意されたい。つまり、図2から2Rは、随意的な窒化物スペーサ44をもたない残りの処理工程を示している。
Next, another poly etching is performed to form an
次に、熱酸化処理が行われ、図2Fに示すように、ポリブロック40の露出上面が酸化する(上面に酸化物層46を形成する)。次に、構造体上に酸化物を蒸着し(例えば、厚さ約350Å)、これに続いて異方性酸化物エッチング処理を行うことにより、第2のトレンチ34の側壁に沿って酸化物スペーサ48(図2Gに示す)が形成される。また、酸化物エッチング処理は、第2のトレンチ34の各々の酸化物層46の中央部を除去する。図2Gは、結果として得られた活性領域22を示す。
Next, a thermal oxidation process is performed, and as shown in FIG. 2F, the exposed upper surface of the polyblock 40 is oxidized (the
次に、酸化物スペーサ48によって保護されていないポリブロック40の中央部を除去する異方性ポリエッチング処理が行われ、図2Hに示すように、第2のトレンチ34の各々に、対向する一対のポリブロック40が残る。次に、絶縁蒸着及び異方性エッチングバック処理を使用して、第2のトレンチ34の内側のポリブロック40aの露出した側面に沿って絶縁層50が形成される(図2Iに示す)。絶縁材は、任意の絶縁材とすることができる(例えば、酸化物/窒化物/酸化物(ONO)又は他の高誘電体)。絶縁材は、酸化物蒸着/エッチング処理がやはり酸化物スペーサ48を厚くし、第2のトレンチ34の各々の底部にある酸化物層36の露出部分を除去して、図2Jに示すように基板10を露出させる結果となるように、酸化物であることが好ましい。更に、この処理は、トレンチ34の各々の底部の酸化物層36が除去される際に、トレンチ34内の活性領域22の隣接するカラムの間のSTI酸化物も除去する。
Next, an anisotropic polyetching process is performed to remove the central portion of the polyblock 40 that is not protected by the
次に、適切なイオン注入(及び可能な焼鈍)は構造体の表面を横切って行われ、第2のトレンチ34の底部の露出した基板部分に第1の(ソース)領域52が形成される。ソース領域52は、第2のトレンチ34に対して自己整列し、活性領域22のカラムに対して実質的に直交する連続的な列を形成し、基板の第1の導電型(例えばP型)とは異なる第2の導電型(例えばN型)を有する。イオンは、窒化物層32に対して何ら影響を及ぼさない。図2Kは、結果として得られた活性領域22を示す。
Appropriate ion implantation (and possible annealing) is then performed across the surface of the structure to form a first (source) region 52 in the exposed substrate portion at the bottom of the second trench 34. The source region 52 is self-aligned with respect to the second trench 34 and forms a continuous row that is substantially orthogonal to the column of the
続いて酸化蒸着工程が行われ、各々のトレンチ34の底部を酸化物層35で充填する。この酸化物層35は、少なくとも約100オングストロームであり、蒸着形成されることになる制御ゲート54とポリブロック40との間に容量結合が生じ得るように、形成されることになる浮遊ゲートポリブロック40の高さよりは薄い。次に、ポリ蒸着工程、及びこれに続くポリCMPエッチング(エッチングストッパとして窒化物層32を用いて)が行われ、図2Lに示すように、第2のトレンチ34がポリブロック40で充填される。従って、ポリ54は、連続的な列の各々のトレンチ34を充填する。次に、窒化物エッチング処理が施されて、窒化物層32が除去されてポリブロック40の上縁部が露出する。次に、トンネル酸化物層56は、熱酸化処理、酸化物蒸着処理、又は両処理によってポリブロック40の露出した上縁部に形成される。また、この酸化物形成工程は、ポリブロック40の露出した上端面に酸化物層58を形成すると同時に、基板10の酸化物層30の厚みを増大させであろう。この段階で、活性領域22をマスキングすることによって、周縁領域に随意的なイオン注入を行うことができる。図2M及び2Nは、結果として得られた活性領域22を示す。
Subsequently, an oxidation deposition process is performed, and the bottom of each trench 34 is filled with an
次に、窒化物スペーサ70は、図2Nに示す構造体に隣接して形成される。このことは、表面全体にシリコン窒化物70を蒸着し、次に、窒化物を異方性エッチングしてスペーサ70を形成することで実現できる。図2Oは、結果として得られた構造体を示す。 Next, a nitride spacer 70 is formed adjacent to the structure shown in FIG. 2N. This can be achieved by depositing silicon nitride 70 over the entire surface and then anisotropically etching the nitride to form spacers 70. FIG. 2O shows the resulting structure.
構造体全体にわたる注入が行われる。具体的には、各窒化物スペーサ70の間の領域にはドレイン領域72が形成される。注入エネルギーは、分離酸化物より下方に広がるのに十分な大きさである。つまり、ドレイン領域72はロウ方向に連続的である。図2Pは、結果として得られた構造体を示す。
Implantation is performed throughout the structure. Specifically, drain
窒化物スペーサ70が除去され、図2Qは、結果として得られた構造体を示す。 Nitride spacer 70 has been removed and FIG. 2Q shows the resulting structure.
最後に、ポリ蒸着工程によって構造体上にポリ層62(例えば厚さ約500Å)を形成する。続いて、フォトレジスト蒸着及びマスキング工程が行なわれて活性領域22に相互に離間した複数の帯状ポリ層62が形成される。図2Rは、結果として得られた活性領域22を示す。各々のポリ層62は、メモリアレイのワード線として機能する。
Finally, a poly layer 62 (for example, a thickness of about 500 mm) is formed on the structure by a poly deposition process. Subsequently, a photoresist deposition and masking process is performed to form a plurality of strip-like poly layers 62 spaced apart from each other in the
図2Rに示すように、本発明の処理は、各々のメモリセル15がソース領域52とドレイン領域72との間にあるメモリセルのアレイを形成する(当業者であればソース及びドレインという用語は作動中に入れ替わり得ることを理解できるであろう)。非平面のチャネル領域はソース領域52とドレイン領域72とを接続し、チャネル領域は第1の部分及び第2の部分の2つの部分を有している。チャネル領域の第1の部分は、一方のトレンチ34の一方の側壁に沿うと共に第1のソース領域52aに隣接している。チャネル領域の第2の部分は、基板10の平面に沿うと共にトレンチ34とドレイン領域72との間にある。誘電体層はチャネル領域を覆っている。チャネルの第1の部分を覆う誘電体は層36aである。チャネルの第2の部分を覆う誘電体は層30である。浮遊ゲート40aは層36aを覆い、第1のソース領域52aに隣接するチャネル領域の第1の部分を覆っている。ポリ層62によって形成されるゲート電極62は、誘電体層30上にあり、チャネル領域の第2の部分を覆っている。制御ゲート54はソース領域52から絶縁され、浮遊ゲート40aと容量結合する。各々の浮遊ゲート40は、ゲート電極62及び基板10の表面に対して実質的に直交する。最後に、ソース領域52a等のソース領域、及びそれに関連する制御ゲート54a等の制御ゲートは、同一活性領域22内の一方側に隣接するメモリセル15と共用され、ドレイン領域72は、他方側に隣接するメモリセル15と共用される。
As shown in FIG. 2R, the process of the present invention forms an array of memory cells in which each memory cell 15 is between a source region 52 and a
全ての浮遊ゲート40は、トレンチ34内に配置され、各々の浮遊ゲート40は、チャネル領域の一部と向かい合うと共に絶縁されている。更に、各々の浮遊ゲート40は、上方部分を含み、この上方部分は、基板表面の上方まで延び、ゲート電極62の1つに向かい合うと共に絶縁されている端部で終端しており、酸化物層56を経由するファウラーノルドハイムトンネル現象のための経路をもたらすようになっている。各々の制御ゲート54は、浮遊ゲート44に沿って延びる共に浮遊ゲート44から絶縁されており(酸化物層50によって)、浮遊ゲート44との間に強化された電圧結合をもたらすようになっている。
All the floating gates 40 are disposed in the trenches 34, and each floating gate 40 faces a part of the channel region and is insulated. In addition, each floating gate 40 includes an upper portion that extends above the substrate surface, terminates at one end of the
アレイを形成する複数のメモリセル15に関連して相互接続は以下の通りである。同じカラム、即ち同じ活性領域22のメモリセル15において、各々のメモリセル15用のゲート電極を形成するワード線62は、Y方向に各々のメモリセル15まで延びる。同じロウ、即ち活性領域22及びSTI26を横切るメモリセル15では、ソース線52及びこれに関連する制御ゲート54は、X方向にこれらの各々のメモリセル15まで連続的に延びる。更に、ドレイン線72は、X方向に各々のメモリセル15まで連続的に延びる。最後に、以上の説明から分かるように、隣接するロウのメモリセル15は、一方側で同じソース領域52及びこれに関連する同じ制御ゲート54を共用し、他方側で同じドレイン領域72を共用する。メモリセル15の各々は、4つの独立制御可能な端子であるワード線62、制御ゲート54、ドレイン領域72、及びソース領域52を有する。
The interconnections associated with the plurality of memory cells 15 forming the array are as follows. In the memory cell 15 in the same column, that is, in the same
当業者であれば理解できるように、線52a、52b、52c等は埋込拡散線であり、これらの線に対する接続は、メモリセルアレイの外側で行う必要がある。1つの方法は、制御ゲート54と同様のポリブロック54を使用することであるが、このポリブロック54は、アレイの外側で埋込拡散線52a、52b、52c等と電気的に接触する。更に、アレイの外側で埋込拡散線52a、52b、52c等と接触するポリブロック54は、アレイ内の独立制御ゲート54と電気的に接触してはいけない。更に、線72a、72b、72cは同様に埋込拡散線であり、これらの線に対しても接続を行う必要がある。つまり、メモリセル15のアレイは仮想接地アレイである。
As can be understood by those skilled in the art, the
メモリセルの動作
以下に図2Rに示すメモリセル15の動作について説明する。
Operation of Memory Cell The operation of the memory cell 15 shown in FIG. 2R will be described below.
消去
メモリセル15を消去するには2つの方法がある。第1の方法では、メモリセル15は、ドレイン領域72に0V、ソース領域52に0Vを印加することで消去できる。ソース領域5及びドレイン領域72に同一の電圧が印加されるので、チャネル領域内には電荷が全く伝導されないことになる。制御ゲート54には−8から−15V程度の負電圧が印加される。最後に、ワード線62には+2から+4V程度の正電圧が印加される。制御ゲート54は、浮遊ゲート40に対して高度に容量結合されるので、浮遊ゲート40には高い負電圧が生じることになる。これにより浮遊ゲート40とワード線62との間に大きな電圧差が生じる。浮遊ゲート40に蓄えられた全ての電子は、制御ゲート54で跳ね返され、ワード線62に印加された正電圧によって引き寄せられ、ファウラーノルドハイムトンネル現象のメカニズムにより浮遊ゲート40から除去され、トンネル酸化物56を通ってワード線62に通り抜ける。消去に関するこのポリ間トンネル現象のメカニズムは、その開示内容の全てが引用によって本明細書に組み込まれている米国特許第5,029,130号に説明されている。
There are two methods for erasing the erase memory cell 15. In the first method, the memory cell 15 can be erased by applying 0 V to the
メモリセル15を消去する第2の方法は、ドレイン領域72に対して0V、ソース領域52に対して+2から+5V程度の低い正電圧を印加することである。制御ゲート54には−8から−15V程度の負電圧が印加される。最後に、ワード線62には、0から−2V程度のゼロ又は低い負電圧が印加される。ワード線62に対して正電圧が印加されないので、チャネル領域はオン状態にはならない。更に、制御ゲート54は、浮遊ゲート40に対し高度に容量結合されているので、浮遊ゲート40には低い負電圧が生じることになる。これにより浮遊ゲート40とソース領域52との間に大きな電圧差が生じる。浮遊ゲート40に蓄えられた全ての電子は、制御ゲート54で跳ね返され、ソース領域52に印加された正電圧によって引き寄せられ、ファウラーノルドハイムトンネル現象のメカニズムにより浮遊ゲート40から除去され酸化物35を通ってソース領域52に通り抜ける。
A second method for erasing the memory cell 15 is to apply a low positive voltage of about 0 V to the
プログラミング
メモリセル15のプログラミングは以下のように行うことができる。ソース領域52は+3から+5Vの正電圧に保持される。制御ゲート54は+8から+10Vの正電圧に保持される。ワード線62は、1から3Vの正電圧に保持される。ドレイン領域72は接地電位に保持される。制御ゲート54は、浮遊ゲート40に対して高度に容量結合されているので、制御ゲート54の+8から+10Vの正電圧は、浮遊ゲート40にチャネル領域の第1の部分をオン状態にさせるのに十分な高い正電位を生じさせる。ワード線62上の1から3Vの正電圧は、チャネル領域の第2の部分をオン状態にさせるのに十分である。つまり、電子は、チャネル領域内をドレイン領域72からソース領域52まで流れることになる。しかしながら、電子は、チャネル領域が平面からトレンチ34へ実質的に90°方向を変えるチャネル領域内の接合部において、浮遊ゲート40の高い正電圧に起因した急激な電圧の増大を経験することになる。これにより電子は浮遊ゲート40にホットチャネル注入されることになる。プログラミングに関するこのホットチャネル電子注入メカニズムは、その開示内容の全てが引用によって本明細書に組み込まれている米国特許第5,029,130号に説明されている。
Programming of the programming memory cell 15 can be performed as follows. The source region 52 is held at a positive voltage of +3 to + 5V. The control gate 54 is held at a positive voltage of +8 to + 10V. The
読取り
メモリセル15の読取りは、以下のように行うことができる。ソース領域52は、接地電位にて保持される。制御ゲート54は、正電圧Vddにて保持される。ワード線62は、通常はチャネル領域の第2の部分をオン状態にするのに十分な正電圧Vddにて保持される。ドレイン領域72は、+1.0Vといった低い正電圧に保持される。制御ゲート54上の正電圧Vddは、浮遊ゲート40がプログラムされない場合にはチャネル領域の第1の部分をオン状態にするのに十分である。この場合、電子は、チャネル領域内をソース領域52からドレイン領域72まで流れることになる。しかしながら、浮遊ゲート40がプログラムされる場合、制御ゲート54上の正電圧Vddは,チャネル領域の第1の部分をオン状態にするには十分でない。この場合、チャネルは非導電性のままである。つまり、ドレイン領域72で検出される電流の大きさ又は電流の有無は、浮遊ゲート40のプログラミング状態を決定する。
Reading of the read memory cell 15 can be performed as follows. Source region 52 is held at ground potential. The control gate 54 is held at a positive voltage Vdd.
メモリセルアレイの動作
次に、メモリセル15のアレイの動作について説明する。図3には、メモリセルのアレイが概略的に示されている。図3に示すように、メモリセル15のアレイは、複数のカラム、即ち15a(1−3)及び15b(1−3)、複数のロウ、即ち15(a−b)1、15(a−b)、及び15(a−b)3に配列された複数のメモリセルを含む。メモリセル15に接続されたワード線62は、同じカラムの他のメモリセル15にも接続される。ソース領域52及び制御ゲート54は、同じロウのセル15に接続され、両側のメモリセル15によって共用される。ドレイン領域72は、同じロウのセルに接続され、両側のメモリセル15によって共用される。1つのロウ内のメモリセル15は、一方側のメモリセル15と接する共通ドレイン領域72を有し、他方側のメモリセルと接する共通ソース領域52及び制御ゲート54を有する。
Operation of Memory Cell Array Next, the operation of the array of memory cells 15 will be described. FIG. 3 schematically shows an array of memory cells. As shown in FIG. 3, the array of memory cells 15 comprises a plurality of columns,
消去
消去動作には前述したように2つの可能な動作モードがある。第1のモードでは個々のメモリセル15を消去できる。各種の線に印加される電圧は以下の通りである。選択されているメモリセル15に関するドレイン領域72には接地電位が印加される。同様に、選択されていないメモリセル15に関するドレイン領域72には接地電位が印加される。選択されているメモリセル15に関するソース領域52には接地電位が印加される。同様に、選択されていないメモリセル15に関するソース領域52には接地電位が印加される。選択されているメモリセル15に関するワード線62には約+2から+4Vの正電圧が印加される。選択されていないメモリセル15に関するワード線62には接地電位が印加される。最後に、選択されているメモリセル15に関する制御ゲート54には−8から−15V程度の高い負電圧が印加される。選択されていないメモリセル15に関する制御ゲート54には接地電位が印加される。
As described above, the erase / erase operation has two possible operation modes. In the first mode, individual memory cells 15 can be erased. The voltages applied to the various lines are as follows. A ground potential is applied to the
前述したように、選択されているメモリセル15に関しては、浮遊ゲート40に対する制御ゲート54の大きな静電容量は浮遊ゲート40に高い負電圧をもたらす。隣接ワード線62上の正電圧により、電子はワード線62に引き寄せられることになり、ファウラーノルドハイムトンネル現象のメカニズムにより、電子は浮遊ゲート40から除去される。同じカラム内の選択されていないメモリセル15に関しては、+2から+4Vの低い正電圧がワード線62に印加されるが、選択されていないメモリセル15の制御ゲート54は接地電位に保持されるので、同じカラム内の選択されていないメモリセル15の浮遊ゲート40上の電子は、ワード線62に引き寄せられないことになる。同じロウの選択されていないメモリセル15に関しては、制御ゲート54には高い負電圧が印加されるが、対応するワード線62は接地電位に保持される。つまり、選択されていないメモリセル15の浮遊ゲート40から電子を引き寄せる正電圧は全く存在しない。このモードにおいて、消去はビット選択可能である。
As described above, for the selected memory cell 15, the large capacitance of the control gate 54 relative to the floating gate 40 results in a high negative voltage on the floating gate 40. The positive voltage on the
消去の第2のモードにおいては、印加される各種電圧は以下の通りである。選択されているメモリセル15に関するドレイン領域72は接地電位が供給される。同様に、選択されていないメモリセル15に関するドレイン領域72には接地電位が供給される。選択されているメモリセル15に関するソース領域52には+2から+4Vの低い正電圧が供給される。選択されていないメモリセル15に関するソース領域52には接地電位が供給される。選択されているメモリセル15に関するワード線62には接地電位から約0から−2Vの低い負電圧が供給される。選択されていないメモリセル15に関するワード線62には接地電位から約0から−2Vの低い負電圧が供給される。最後に、選択されているメモリセル15に関する制御ゲート54には、−8から−15V程度の高い負電圧が供給される。選択されていないメモリセル15に関する制御ゲート54には接地電位が供給される。
In the second mode of erasing, the various voltages applied are as follows. A
この動作モードにおいて、同じロウ内の全てのメモリセル15は同時に消去される。つまり、このモードにおいて、消去はロウ選択可能である。選択されているロウのメモリセル15に関しては、浮遊ゲート40に対する制御ゲート54の大きな静電容量は、浮遊ゲート40に高い負電圧をもたらす。隣接ソース領域52上の正電圧により、電子はソース領域52に引き寄せられることになり、ファウラーノルドハイムトンネル現象のメカニズムにより、電子は浮遊ゲート40から除去される。選択されていないロウのメモリセル15に関しては、制御ゲート54は接地電位に保持される。最後に、全てのワード線62に供給される接地電位から負電圧により、全てのメモリセル15のチャネル領域は確実にオン状態にならない。 In this operating mode, all memory cells 15 in the same row are erased simultaneously. That is, in this mode, erasing can be selected in a row. For the selected row of memory cells 15, the large capacitance of control gate 54 relative to floating gate 40 results in a high negative voltage on floating gate 40. The positive voltage on the adjacent source region 52 causes the electrons to be attracted to the source region 52, and the electrons are removed from the floating gate 40 by the Fowler-Nordheim tunneling mechanism. For the memory cell 15 in the unselected row, the control gate 54 is held at the ground potential. Finally, the channel regions of all the memory cells 15 are not reliably turned on by the negative voltage from the ground potential supplied to all the word lines 62.
プログラム
メモリセル15の浮遊ゲート40がプログラムされると想定する。この場合、前述の議論に基づいて、各種の線に印加される電圧は以下の通りである。線72bは接地電位であるが他の全てのドレイン領域72aはVddである。線52aは+3から+5Vであるが他の全てのソース線52bは接地電位である。線62bは+1から+3Vであるが全てのワード線62aは接地電位から−2Vである。線62bは+1から+3Vであるが他の全てのワード線62aは接地電位から−2Vである。線54aは+8から+10Vであるが他の全ての線54bは接地電位である。選択されていないメモリセル15上の「外乱」は以下の通りである。
Assume that floating gate 40 of program memory cell 15 is programmed. In this case, based on the above discussion, the voltages applied to the various lines are as follows.
未選択カラムのメモリセル15に関しては、ワード線62aに対して0から−2Vを印加することは、チャネル領域の第2の部分(ワード線62aが制御する部分)がオン状態にないので、それらのメモリセル15a(1−n)及び15c(1−n)に関する全てのチャネル領域がオン状態にならないことを意味する。つまり、外乱は全く存在しない。同じ選択カラムにあるが、選択メモリセル15と共通のソース領域52及び制御ゲート54をもつ側の未選択ロウのメモリセル15b1に関しては、線72aに対してVddを印加することは、そのメモリセル15b1に殆ど又は全く電流が流れないことを意味する。最後に、同じ選択カラムにあるが選択メモリセル15と共通のドレイン領域72をもつ側の未選択ロウのメモリセル15b3に関しては、線54b及び52bに対して接地電位を印加することは、そのメモリセル15b3に殆ど又は全く電流が流れないことを意味する。
For the memory cells 15 in the unselected columns, applying 0 to −2 V to the
読取り
メモリセル15の浮遊ゲート40を読取る場合を想定する。前述の議論に基づいて、各種の線に印加される電圧は以下の通りである。ドレイン領域線72bは約+1Vの正電圧に保持されるが、未選択ドレイン線72aは接地電位に保持される。制御ゲート線54aは正電圧Vddに保持されるが、未選択制御ゲート54bは地電位に保持される。選択ワード線62bは正電圧Vddに保持されるが、未選択ワード線62aは接地電位に保持される。最後に、選択ソース線52aは地電位に保持されるが、選択ドレイン線72bに直接隣接する未選択ソース線52bは1Vに保持され、未選択ドレイン線72aに直接隣接する未選択ソース線52は接地電位に保持される。つまり、選択されているメモリセル15の一方側の全てのメモリセル15は、ソース52及びドレイン72への印加電圧と同じ電圧を有し、同様に、他方側の全てのメモリセルはソース52及びドレイン72への印加電圧と同じ電圧を有することになる。選択されていないメモリセル15上の「外乱」は以下の通りである。
It is assumed that reading the floating gate 40 of reading the memory cell 15. Based on the above discussion, the voltages applied to the various lines are as follows.
未選択カラムのメモリセル15に関しては、ワード線62aに対して0Vを印加することは、それらのメモリセル15に関するチャネル領域が全てオン状態にならないことを意味する。つまり、外乱は全く存在しない。同じ選択ロウにあるが未選択ロウにあるメモリセル15b1及び15b3に関しては、それらのメモリセルのソース52及びドレイン72に対して同じ電圧を印加することは、チャネル領域がオン状態にならないことを意味する。つまり、メモリセル15b2に対する外乱は殆ど又は全く生じない。
For the memory cells 15 in the unselected column, applying 0 V to the
以上の説明から、新規な高密度不揮発性メモリセル、アレイ、及び製造方法を理解できるはずである。単一ビットがメモリセルの各々の浮遊ゲートに記憶されるようになった好適な実施形態を説明したが、複数のビットを単一のメモリセルの浮遊ゲートに記憶させて記憶密度を高めることも本発明の精神の範疇にあることを理解されたい。 From the above description, a novel high density non-volatile memory cell, array, and manufacturing method should be understood. Although a preferred embodiment has been described in which a single bit is stored in each floating gate of a memory cell, multiple bits can be stored in the floating gate of a single memory cell to increase storage density. It should be understood that it is within the spirit of the present invention.
10 半導体基板
15a メモリセル
15b メモリセル
30 酸化物層(誘電体層)
36a 誘電体層
36b 誘電体層
40a 浮遊ゲート
40b 浮遊ゲート
52a ソース領域
52b ソース領域
54a 制御ゲート
54b 制御ゲート
56 トンネル酸化物層
58a 酸化物層
58b 酸化物層
62 ゲート電極
72 ドレイン領域
10
36a
Claims (20)
前記半導体材料の前記平面に沿った、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の第1の領域と、
前記半導体材料の前記トレンチの前記底壁に沿った、前記第2の導電型の第2の領域と、
前記第1の領域に隣接する前記表面に沿う第1の部分と、前記第2の領域に隣接する前記側壁に沿う第2の部分とを有し、電荷を伝導するために前記第1の領域と前記第2の領域とを接続するチャネル領域と、
前記チャネル領域上の誘電体と、
前記トレンチ内にあり、前記誘電体上にあり、前記チャネル領域の前記第2の部分から離間した浮遊ゲートと、
前記誘電体上にあり、前記チャネル領域の前記第1の部分から離間した第1のゲート電極と、
前記トレンチ内にあり、前記浮遊ゲートと容量結合される第2のゲート電極と、
を備えることを特徴とする不揮発性メモリセル。 A substantially monocrystalline semiconductor material of a first conductivity type comprising a substantially planar surface having trenches with sidewalls and bottom walls;
A first region of a second conductivity type different from the first conductivity type along the plane of the semiconductor material;
A second region of the second conductivity type along the bottom wall of the trench of the semiconductor material;
A first portion along the surface adjacent to the first region and a second portion along the sidewall adjacent to the second region, the first region for conducting charge; And a channel region connecting the second region;
A dielectric on the channel region;
A floating gate in the trench, on the dielectric, and spaced from the second portion of the channel region;
A first gate electrode overlying the dielectric and spaced from the first portion of the channel region;
A second gate electrode in the trench and capacitively coupled to the floating gate;
A non-volatile memory cell comprising:
前記半導体基板材料内に複数のロウ及びカラムに配列された複数の不揮発性メモリセルと、
を備える複数のロウ及びカラムに配列された不揮発性メモリセルのアレイであって、各々のセルが、
前記半導体材料の前記表面に沿った、前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の第1の領域と、
前記半導体材料の前記トレンチの底壁に沿った、前記第2の導電型の第2の領域と、
前記第1の領域に隣接する前記表面に沿う第1の部分と、前記第2の領域に隣接する前記側壁に沿う第2の部分とを有し、電荷を伝導するために前記第1の領域と前記第2の領域とを接続するチャネル領域と、
前記チャネル領域上の誘電体と、
前記誘電体上にあり、前記チャネル領域の前記第2の部分から離間した浮遊ゲートと、
前記誘電体上にあり、前記チャネル領域の前記第1の部分から離間した第1のゲート電極と、
前記トレンチ内にあり、前記浮遊ゲートと容量結合される第2のゲート電極と、
を備え、
同じロウの前記セルが、前記第1のゲート電極を共用し、
同じカラムの前記セルが、前記第1の領域、前記第2の領域、及び前記第2のゲート電極を共用し、
隣接するカラムの前記セルが、一方側で前記第1の領域を共用し、他方側で前記第2のゲート電極及び前記第2の領域を共用する
ことを特徴とする不揮発性メモリセルのアレイ。 A substantially monocrystalline semiconductor material of a first conductivity type comprising a substantially planar surface having a plurality of trenches each having a sidewall and a bottom wall;
A plurality of nonvolatile memory cells arranged in a plurality of rows and columns in the semiconductor substrate material;
An array of non-volatile memory cells arranged in a plurality of rows and columns, each cell comprising:
A first region of a second conductivity type different from the first conductivity type along the surface of the semiconductor material;
A second region of the second conductivity type along a bottom wall of the trench of the semiconductor material;
A first portion along the surface adjacent to the first region and a second portion along the sidewall adjacent to the second region, the first region for conducting charge; And a channel region connecting the second region;
A dielectric on the channel region;
A floating gate overlying the dielectric and spaced apart from the second portion of the channel region;
A first gate electrode overlying the dielectric and spaced from the first portion of the channel region;
A second gate electrode in the trench and capacitively coupled to the floating gate;
With
The cells in the same row share the first gate electrode;
The cells in the same column share the first region, the second region, and the second gate electrode;
An array of non-volatile memory cells, wherein the cells of adjacent columns share the first region on one side and share the second gate electrode and the second region on the other side.
実質的に平坦な表面を有する前記半導体基板上に、前記カラム方向へ延び、互いに実質的に平行で離間しており、各々の一対の間には活性領域が形成される分離領域を形成する段階と、
前記活性領域の各々に複数のメモリセルを形成する段階と、
を含み、前記メモリセルの各々を形成する段階が、
側壁及び底壁を有するトレンチを前記半導体基板の表面内に形成する段階と、
前記側壁に沿って前記側壁から絶縁されている浮遊ゲートを前記トレンチ内に形成する段階と、
前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の第1の領域を、前記トレンチの前記底壁に沿って前記基板内に形成する段階と、
前記第1の領域から絶縁され前記浮遊ゲートと容量結合される第1のゲート電極を前記トレンチ内に形成する段階と、
表面に沿い前記トレンチから離間した第2の導電型の第2の領域を前記基板内に形成する段階と、
前記第2の領域と前記トレンチとの間に表面から離間した第2の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メモリセルのアレイを製造する方法。 A method of manufacturing an array having a plurality of non-volatile memory cells arranged in a plurality of rows and columns in a substantially single crystal semiconductor substrate material of a first conductivity type, comprising:
Forming an isolation region on the semiconductor substrate having a substantially flat surface, extending in the column direction, substantially parallel to and spaced apart from each other, and forming an active region between each pair; When,
Forming a plurality of memory cells in each of the active regions;
Forming each of the memory cells comprises:
Forming a trench having a sidewall and a bottom wall in the surface of the semiconductor substrate;
Forming a floating gate in the trench that is insulated from the sidewall along the sidewall;
Forming a first region of a second conductivity type different from the first conductivity type in the substrate along the bottom wall of the trench;
Forming a first gate electrode in the trench that is insulated from the first region and capacitively coupled to the floating gate;
Forming in the substrate a second region of a second conductivity type along the surface and spaced from the trench;
Forming a second gate electrode spaced from the surface between the second region and the trench;
A method of manufacturing an array of non-volatile memory cells, comprising:
側壁及び底壁を有するトレンチを前記半導体基板の表面内に形成する段階と、
側壁に沿って側壁から絶縁されている浮遊ゲートを前記トレンチ内に形成する段階と、
前記第1の導電型とは異なる第2の導電型の第1の領域を、前記トレンチの前記底壁に沿って前記基板内に形成する段階と、
前記第1の領域から絶縁され前記浮遊ゲートと容量結合される第1のゲート電極を前記トレンチ内に形成する段階と、
表面に沿い前記トレンチから離間した第2の導電型の第2の領域を前記基板内に形成する段階と、
前記第2の領域と前記トレンチとの間に表面から離間した第2の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メモリセルを製造する方法。 A method of manufacturing a non-volatile memory cell in a substantially single crystal semiconductor substrate material of a first conductivity type having a substantially flat surface comprising:
Forming a trench having a sidewall and a bottom wall in the surface of the semiconductor substrate;
Forming a floating gate in the trench that is insulated from the sidewall along the sidewall;
Forming a first region of a second conductivity type different from the first conductivity type in the substrate along the bottom wall of the trench;
Forming a first gate electrode in the trench that is insulated from the first region and capacitively coupled to the floating gate;
Forming in the substrate a second region of a second conductivity type along the surface and spaced from the trench;
Forming a second gate electrode spaced from the surface between the second region and the trench;
A method of manufacturing a non-volatile memory cell comprising:
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