DE3148807A1

DE3148807A1 - Halbleiterspeicheranordnung

Info

Publication number: DE3148807A1
Application number: DE19813148807
Authority: DE
Inventors: Yasunori Suwa Nagano Nakazaki
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1980-12-12
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1982-08-12
Also published as: DE3148807C2; HK73886A; GB2092824B; GB2092824A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine nicht-flüchtige Halbleiterspeicheranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs

Herkömmliche nicht-flüchtige Halbleiterspeicheranordnungen mit schwimmendem Gate und doppelten polykristallinen Siliciuingates sind gemäß Fig. 1 aufgebaut.

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In Fig. 1 bezeichnet 1 ein P-leitendes Substrat. 2 ist eine N-leitende Diffusionsschicht, 3 eine Oxidschicht zur Isolierung des Elements. 6 ist ein Steuergate aus polykristallinem Silicium. 8 ist das schwimmende Gate "15 aus polykristallinem Silicium. 9 ist die Gateisolierschicht, 7 die Zwischenisolierschicht. Üblicherweise wird eine Oxidschicht des Substrats 1 als Gateisolierschicht und eine Oxidschicht des polykristallinen Siliciumgates 8 als Zwischenisolierschicht verwendet.

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Folgende Anforderungen sind an die Eigenschaften einer.

solchen nicht-flüchtigen Speicheranordnung zu stellen:

1. Die Effizienz (^lrlcutigsgrad) der Injektion elektrischer Ladung in das schwimmende Gate muß hoch sein;

2. die Schwellenspannurig in einem ersten Zustand, das heißt vor Injizierung der elektrischen Ladung in da,s schwimmende Gate muß niedrig sein; und

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3. die Durchbruchsspannung der Zwischenisolierschicht

muß hoch sein.

Eine integrierte Schaltung mit den vorgenannten Eigenschäften erlaubt es, die Speisespannung bzw. den erfor-

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derlichen Strom zum Einschreiben von Informationen zu senken, die Geschwihdiakeit zum Lesen der gespeicherten Informationen zu erhöhen und die Halte- bzw. Speicherdauer der Informationen zu erhöhen. 5

Die .Fig. 2, 3 und 4 zeigen die Injektionseffizienz, die Schwellenspannung bzw. die Durchbruchsspannung der Zwischenisolierschicht jeweils über der Dicke der Zwischenisolierschicht. Aus diesen Figuren erkennt man, daß bezüglich der Durchbruchsspannung der Zwischenisolierschicht der Verlauf von weniger erwünschten Werten zu erwünschten Werten in Abhängigkeit von der Dicke dieser Isolierschicht umgekehrt zum entsprechenden Verlauf der Injektionseffizienz und der Schwellenspannung ist. Genauer gesagt ist es notwendig, die Zwischenisolierschicht 7 von Fig. 1 dünn zu machen, um eine höhere Injektionseffizient und eine geringere Schwellenspannung im ersten Zustand, das heißt vor Injektion von Elektronen in das schwimmende Gate zu erhalten. Wenn aber die Zwischenisolierschicht 7 dünner gemacht wird, dann verringert man damit die Durchbruchsspannung der Zwischenisolierschicht, gemäß Fig. 4, so daß im schwimmenden Gate angesammelte elektrische Ladung in kurzer Zeit zum Substrat etc. zurückgelangt. Daher wurde beim herkömmlichen praktischen Herstellungsverfahren die optimale Dicke der Zwischenisolierschicht so ausgewählt, daß bei Anhebuna der Durchbruchsspannunq die Injektionseffizienz gesenkt wurde.

Mit einer höheren Injektionseffizienz sind aber eine Reihe von Vorteilen, wie die Verringerung der zum Programmieren erforderlichen Zeit, die Senkuna der zum Programmieren erforderlichen Spannung, die Verringerung einer Testzeit und anderes verbunden.

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-J Aufgabe der Erfindung ist es, eine nicht-flüchtige Halbleiterspeicheranordnung zu schaffen, die unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile verglichen mit der herkömmlichen Anordnung eine geringere Schwellenspannung im ersten Zustand, das heißt vor der Injektion elektrischer Ladung in das -schwimmende Gate, eine höhere Durchbruchsspannung und eine erheblich verbesserte Injektionseffizienz aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Gemäß dieser Lösung wird die Zwischenisolierschicht 7 von Fig. 1 durch Nitrieren der polykristallinen Siliciumschicht des Gates 8 erzeugt.

Es ist bekannt, daß eine Siliciumnitridschicht im Vergleich zu einer Siliciumoxidschicht sowohl eine höhere Durchbruchsspannung als auch eine höhere Dielektrizitätskonstante besitzt. Die Erfindung macht von dieser Tatsache Gebrauch. Bei gleicher Dicke bietet die Zwischenisolierschicht aus Siliciumnitrid gegenüber einer solchen aus Siliciumoxid folgende Vorteile: .

1. Die Durchbruchsspannung der Zwischenisolierschicht wird höher,

2. die Schwellenspannung im oben definierten ersten Zustand wird infolge der hohen Dielektrizitätskonstante von Siliciumnitrid gesenkt, lind

3. die Injektionseffizienz ist hoch, da die Kapazität zwischen den Gates 6 und 8 von Fig. 1 groß wird,.

Diese Vorteile sollen im einzelnen erläutert werden. Dor Grund für die Verbesserung der Durchbruchsspannung der Zwischenisoiierschicht gemäß Punkt 1 beruht auf

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dem Unterschied der Bindungsenergie auf Siliciumatome im Oxid einerseits und im Nitrid andererseits und beruht ferner auf der unterschiedlichen Dichte beider Schichten. Aufgrund dieser Unterschiede verringert sich der minimale Leckstrom durch die Nitridschicht verglichen mit dem durch die SiO,,-Schicht, während die

Durchbruchsspannunq ansteigt.

Was die Schwellenspannung im ersten Zustand und damit den obigen Punkt 2 anlangt, so ist dies leicht verständlich, wenn man den Fall der Zwischenisolierschicht 7 in Fig. 1 aus Siliciumoxid mit dem der entsprechenden Schicht aus Siliciumnitrid vergleicht. Das heißt, im Fall von Siliciumnitrid wird die Kapazität zwischen .15 den Gates 6 und 8 in Fig. 1 größer, weil die Siliciumnitridschicht eine höhere Dielektrizitätskonstante aufweist. Legt man dasselbe elektrische Potential an das Gate 6 einmal für den Fall einer Zwischenisolierschicht 7 aus Siliciumnitrid und ein anderes Mal aus Siliciumoxid an, dann wird das durch das Potential des Gates 6 am Gate 8 induzierte Potential im Fall der Siliciumnitridschicht höher als im Fall der Siliciumoxidschicht sein, so daß die Umkehrspannung des Transistors {Schwellenspannung) im Fall von SiIiciumnitrid deutlich unter das elektrische Potential des Gates 6 fällt. Daraus ergibt sich, daß bei gleichem Potential des Gates 6 im Fall der Siliciumnitridschicht 7 das Potential des Gates 8 höher wird, so daß es möglich wird, die kinetische Energie in Richtung des Gates 8 in bezug auf das Substrat im Hinblick auf die Injektion von Elektronen in das schwimmende Gate zu erhöhen. Daraus erklärt sich der Grund, warum die Injektionseffizienz durch die erfindungsgemäße Lösung erhöht werden kann.

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Ί Wenn man die Dicke der Zwischenisolierschicht. 7 so beinißt, daß man die gleiche Durchbruchs spannung wie im herkömmlichen Fall erhält, dann tritt der vorteilhafte Zustand auf, daß die Schwellenspannung im ersten Zustand weiter gesenkt und die Injektionseffizienz noch stärker erhöht werden.. _

Es sind verschiedene Nitrierverfahren bekannt, bei-, spielsweise ein Verfahren mit einer Behandlung bei hoher Temperatur in Stickstoffgas oder Ammoniakgas oder ein Verfahren, bei dem Stickstoffgas oder Ammoniakgas zu einem Plasma ionisiert wird und unter hoher Temperatur mit dem polykristallinen Silicium zur Reaktion gebracht wird. Zum Zwecke der vorliegenden

Ί5 Erfindung kann irgendein Verfahren verwendet werden.

Es ist möglich, auch die Gateoxidschicht 9 unter dem schwimmenden Gate durch eine Nitridschicht des Substrats 1 zu bilden. Dieser Fall bringt in Verbindung mit den oben erwähnten Wirkungen große Vorteile, da eine verbesserte Durchbruchsspannung und eine geringere Schwellenspannung im ersten Zustand "zu "erwarten sind.

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Claims

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- BLUMBACH . WESER · BERGEN · KRAMER

ZWIRNER · HOFFMANN ■ ^

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN ' \

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull

Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha 81/87103

3-4, 4-chome, Ginza, Chuo~ku, HO/mü

Tokyo, Japan

Halbleiterspeicheranordnung

Patentansprüche

\1 o) Nicht-flüchtige Halbleiterspeicheranordnung mit schwimmendem Gateaufbau und doppelten polykristallinen Siliciumgates, dadurch gekennze ichnet , daß die Zwischenisolierschicht (7) zwischen den beiden polykristallinen Siliciumgates (6, 8) eine Siliciumnitridschicht ist, die durch direkte Nitrierung der ersten Schicht (8) aus polykristallinem Silicium gebildet ist.

2«, Halbleiter speicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gateisolierschicht (9) zwischen dem Substrat (1) und dem ersten (8) der beiden polykristallinen Siliciumgates (6, 8) eine Siliciumnitridschicht ist, die durch direkte Nitrierung des Substrats gebildet ist.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. » W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.