JP2004158810A - Nonvolatile semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル絶縁膜、トラップ絶縁膜及びトップ絶縁膜を積層して構成されたゲート絶縁膜を有し、トンネル絶縁膜を介してトラップ絶縁膜に電荷を出し入れすることによりデータの書き込み及び消去を行う不揮発性半導体メモリに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の不揮発性半導体メモリでは、フローティングゲート及びコントロールゲートの2つのゲート電極を有する二重ゲート構造のフローティングゲート型メモリが一般的であった(例えば、特開平2−26072号)。しかし、近年、二重ゲート構造の複雑な製造プロセスが微細化の障害として顕著になってきた。
【0003】
そのため、ゲート電極が1つの単ゲート型不揮発性半導体メモリが注目されている。単ゲート型不揮発性半導体メモリでは、半導体基板とゲート電極との間のゲート絶縁膜に電荷を蓄積可能な材料を使用しており、ゲート絶縁膜に蓄積された電荷によりしきい値電圧が変化することを利用してデータを記憶する。このような単ゲート型不揮発性半導体メモリには、SONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon )型メモリ及びMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon )型メモリがある。
【0004】
図1は、従来のSONOS型メモリのメモリセル構造を示す模式的断面図である(特開2001−358237号)。SONOS型メモリでは、一つのメモリセルは一つのFET(Field Effect Transistor )により構成される。
【0005】
シリコン半導体基板10には、ソース/ドレインとなる一対の不純物拡散領域11が相互に離隔して形成されている。これらの一対の不純物拡散領域11の間の領域上にはゲート絶縁膜12が形成されている。このゲート絶縁膜12は、基板10側からシリコン酸化(SiO2 )膜12a、シリコン窒化(SiN)膜12b及びシリコン酸化膜12cを順に積層して形成されている。そして、ゲート絶縁膜12の上には、ポリシリコンからなるゲート電極13が形成されている。
更に、ゲート電極13及びゲート絶縁膜12の両側にはシリコン酸化膜からなるサイドウォール14が形成されている。
【0006】
このように構成されたSONOS型メモリにおいて、データを書き込むときは、ゲート電極13に十分に高い電圧を印加するとともに、一対の不純物拡散領域11間に所定の電圧を印加する。これにより、ドレイン側の不純物拡散領域11の近傍に発生したホットエレクトロンがシリコン酸化膜12aをトンネリングしてシリコン窒化層12bに注入され、その結果メモリセル(FET)のしきい値電圧が変化する。なお、シリコン窒化膜12bの上にはシリコン酸化膜12cが形成されているため、シリコン窒化膜12bに注入された電子がゲート電極13に流れることが防止される。
【0007】
一方、メモリセルに書き込まれたデータを消去するときには、一対の不純物拡散領域11にいずれも正の電圧を印加し、ゲート電極13に負の電圧を印加する。これにより、シリコン窒化膜12bに蓄積されていた電子がシリコン酸化膜12aをトンネリングして基板10側に排除される。
【0008】
シリコン窒化膜12bのように、電荷をトラップする絶縁膜をトラップ絶縁膜と呼び、半導体基板とトラップ絶縁膜との間の絶縁膜をトンネル絶縁膜と呼び、トラップ絶縁膜とゲート電極との間の絶縁膜をトップ絶縁膜と呼んでいる。
【0009】
なお、Boaz Eitan氏等の文献(“Can NROM, a 2 Bit, Trapping Storage NVM Cell, Give a Real Challenge to Floating Gate Cells ?”,Extended Abstracts of the 1999 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo,1999 )には、SONOS型のNROMの構造が記載されている。また、特開2000−58831号には、トラップ絶縁膜をチタン酸化膜で構成した不揮発性半導体メモリが記載されている。
【0010】
【特許文献1】
特開平2−26072号公報
【特許文献2】
特開2001−358237号公報(図2)
【特許文献3】
特開2000−58831号公報(図31)
【非特許文献1】
Boaz Eitan et al. “Can NROM, a 2 Bit, Trapping Storage NVM Cell, Givea Real Challenge to Floating Gate Cells ? ”,Extended Abstracts of the 1999 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo,1999.
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願発明者等は、上述した従来のSONOS型メモリには以下に示す問題点があると考えている。すなわち、従来のSONOS型メモリではトラップ絶縁膜としてシリコン窒化膜を使用している。しかし、シリコン窒化膜の電荷保持能力は十分ではなく、データの信頼性が十分に確保されているとはいえない。
【0012】
また、従来のSONOS型メモリでは、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜を使用している。しかし、シリコン酸化膜の誘電率が低いため、カップリングレシオの関係から、ゲート電極からの電界がトンネル絶縁膜に作用する割合が少ない。そのため、ゲート電極に印加する電圧を高くしないとデータの書き込み/消去に要する時間が長くなる。ゲート電極に印加する電圧を高くするためにはメモリセル及び周辺回路の素子サイズを大きくして耐圧を高くする必要があり、半導体装置の高集積化が阻害される。
【0013】
更に、従来のSONOS型メモリでは、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜を使用しているのでバリアハイトが高く、データの書き込み/消去に要する時間が長くなる。
【0014】
以上から、本発明の目的は、トラップ絶縁膜のデータ保持能力が高く、データの信頼性が高い不揮発性半導体メモリを提供することである。
【0015】
また、本発明の他の目的は、データの書き込み/消去を短時間で行うことができる不揮発性半導体メモリを提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された一対の不純物拡散領域と、前記一対の不純物拡散領域の間の領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 及びLn2 O3 (但し、Lnはランタノイド元素)からなる群から選択された少なくとも1種の酸化物により前記トンネル絶縁膜上に形成されたトラップ絶縁膜と、前記トラップ絶縁膜の上に形成されたトップ絶縁膜と、前記トップ絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリにより解決する。
【0017】
また、上記した課題は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された一対の不純物拡散領域と、前記一対の不純物拡散領域の間の領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、Al、Hf、Zr及びLn(但し、Lnはランタノイド元素)からなる群から選択された1種の元素を主成分とする酸化物により前記トンネル絶縁膜上に形成されたトラップ絶縁膜と、前記トラップ絶縁膜の上に形成されたトップ絶縁膜と、前記トップ絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリにより解決する。
【0018】
なお、ランタノイド元素とは、原子番号が57のLa(ランタン)から原子番号が71のLu(ルテチウム)までの15元素をいう。
【0019】
また、本願において、例えばAlを主成分とする酸化物と記載した場合、Al原子が最も多いか、又は酸素に次いで多いことを意味する。Hfを主成分とする酸化物、Zrを主成分とする酸化物及びLnを主成分とする酸化物と記載した場合も同様である。更に、AlHfO2 と記載した場合はAlを主成分とする酸化物であり、HfAlO2 と記載した場合はHfを主成分とする酸化物であることを意味する。
【0020】
本願発明者等は、単ゲート型不揮発性半導体メモリのデータの信頼性を向上させるために種々実験検討を行った結果、トラップ絶縁膜を、アルミナ(Al2 O3 )又はその他のAl(アルミニウム)を含む酸化物により形成すると、データ保持能力が著しく向上するとの知見を得た。本願発明は、このような実験結果に基づいてなされたものである。
【0021】
トラップ絶縁膜をアルミナ(Al2 O3 )又はその他のアルミニウムを含む酸化物により形成するとデータ保持能力が向上する理由は明らかではないものの、これらの酸化物のトラップ準位がシリコン窒化膜のトラップ準位よりも深いところにあり、トラップされた電荷が逃げにくいためと考えられる。
【0022】
従って、本願発明においては、トラップ絶縁膜を、アルミニウムを含む酸化物を主成分とする絶縁物により形成する。アルミニウムを含む酸化物には、例えば、Al2 O3 、AlHfO、AlZrO、AlTaO、AlTiO及びZrAlOがある。また、Al2 O3 、AlHfO、AlZrO、AlTaO、AlTiO及びZrAlOのうちの少なくとも1種の化合物のシリケート又はアルミネートによりトラップ絶縁膜を形成してもよい。
【0023】
また、本願発明者等の実験により、HfO2 及びHfを主成分とする酸化物、ZrO2 及びZrを主成分とする酸化物、並びにLn2 O3 及びLnを主成分とする酸化物のうちのいずれか1種の化合物をトラップ絶縁膜として使用した場合も、データの保持能力を向上できるとの知見を得た。従って、これらの化合物によりトラップ絶縁膜を形成してもよい。
【0024】
Al2 O3 は、トラップ準位が深く、電荷を安定してトラップできる。一方、HfO2 やLn2 O3 のトラップ準位はそれほど深くないため、HfO2 やLn2 O3 はAl2 O3 に比べて電荷を同じ場所(トラップ)に保持しづらいと考えられる。しかし、Al2 O3 はバリアハイトが高く、酸化膜との差が0.5〜0.8eV程度と小さいため、電子を同じトラップに保持できれば問題ないが、電荷がトラップから離れると、上下の酸化膜からリークしやすい。これに対し、HfO2 やLn2 O3 はバリアハイトが低く、酸化膜との差が2〜2.5eVと大きいため、電荷がある一つのトラップから逃げても、上下の酸化膜のバリアが高いために電荷がリークすることは少ない。
【0025】
MONOS型メモリには、絶縁膜全体に電荷をトラップさせる方式と、絶縁膜中の局所的な部分に選択的に電荷をトラップさせる方式との2種類がある。本発明をMONOS型メモリに適用する場合は、上記した性質から、Al2 O3 (又はAlを主成分とする酸化物)は局所的トラップ方式に使用することが好ましく、HfO2 やLn2 O3 (又は、Hf若しくはLnを主成分とする酸化物)は絶縁膜全体にトラップさせる方式に使用することが好ましい。
【0026】
トンネル絶縁膜を、従来使用されているシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低い材料により形成すると、トラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの読み出し/書き込み時間が短縮される。従って、トンネル絶縁膜は、シリコン酸化膜よりもバリアハイトが低い材料により形成することが好ましい。シリコン酸化膜よりもバリアハイトが低い材料には、例えば、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOがある。また、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOのうちのいずれか1種の化合物のシリケート又はアルミネートによりトンネル絶縁膜を形成してもよい。
【0027】
トップ絶縁膜を、従来使用されているシリコン酸化膜よりも比誘電率が高い材料により形成すると、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。従って、トップ絶縁膜は、シリコン酸化膜よりも比誘電率が高い材料により形成することが好ましい。シリコン酸化膜の比誘電率は通常4以下であり、それよりも比誘電率が高い材料には、例えば、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOがある。また、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOのうちのいずれか1種の化合物のシリケート又はアルミネートによりトップ絶縁膜を形成してもよい。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【0029】
(不揮発性半導体メモリ)
図2は本発明を適用した不揮発性半導体メモリの平面図、図3(a)は図2のI−I線による断面図、図3(b)は図2のII−II線による断面図、図3(c)は図2のIII −III 線による断面図である。
【0030】
p型シリコン半導体基板20の表面には活性領域を確定する局所絶縁膜22が形成されている。この局所絶縁膜22は、図3(a)の紙面に垂直な方向に延在している。シリコン半導体基板20の活性領域上には、積層ゲート絶縁膜23が形成されている。この積層ゲート絶縁膜23は、基板20側からトンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cを順に積層した3層構造を有する。
【0031】
局所絶縁膜22の下には、シリコン半導体基板20にAs(ヒ素)を導入して形成された不純物拡散領域からなるビットライン21が配置されている。局所絶縁膜22及び積層ゲート絶縁膜23の上には、図3(a)の横方向に延在するワードライン24が形成されている。このワードライン24は、例えばポリシリコン又はアモルファスシリコンにより形成されている。
【0032】
ビットライン21とワードライン24とは、その交差個所において、両者の間に存在する局所絶縁膜22により絶縁されている。但し、この構造において局所絶縁膜22は必須ではなく、必要に応じて設ければよい。メモリセル(FET)25は、相互に隣り合う一対のビットライン21と1本のワードライン24とが交差する部分に形成され、一対のビットライン21をそれぞれソース及びドレインとし、ワードライン24をゲート電極として構成される。
【0033】
ビットライン21の延在する方向に隣り合う2つのメモリセル25のチャネル領域の間には、シリコン半導体基板20にp型不純物を導入して形成されたチャネルストッパ領域26が設けられている。
【0034】
図4は、本発明の不揮発性半導体メモリの回路構成の例を示すブロック図である。メモリセル25のソース及びドレインが、隣り合う2本のビットライン21にそれぞれ接続され、ゲート電極がワードライン24に接続されている。
【0035】
複数のメモリセル25が行列状に配置されてメモリセルアレイを構成する。各メモリセル25にはそれぞれ固有のアドレスが割り当てられる。メモリセルアレイは複数のブロックに分割されており、各メモリセル25はいずれかの1つのブロックに属している。
【0036】
ビットライン21がセンスアンプ部31に接続され、ワードライン24がワードラインドライバ32に接続されている。制御回路30がセンスアンプ部21及びワードラインドライバ32を制御する。ここでは、ビットライン21を、図4の左側から順番にBL1,BL2、BL3,BL4…で表わし、ワードライン24を、図4の上側から順番にWL1,WL2,WL3,WL4…で表わす。
【0037】
制御回路30はアドレスカウンタ(図示せず)を有する。アドレスカウンタに設定されたアドレスに基づいて特定のビットライン21及びワードライン24が選択され、所望のメモリセル25にアクセスすることができる。
【0038】
制御回路30は、外部のCPU33によって制御される。CPU33にはRAM34が接続されている。このRAM34には、メモリセル25に書き込むべきデータが一時的に記憶される。
【0039】
以下、上述した不揮発性半導体メモリの動作について説明する。以下に説明する動作は、CPU30からの指示により制御回路20が実行する。
【0040】
(データ書き込み動作)
データ書き込み時には、選択したメモリセルのドレインに接続されたビットライン21に書き込み電圧Vdp(例えば、6V)を印加し、ソースに接続されたビットライン21を0Vとし、ワードライン24に電圧Vwp(例えば、10V)を印加する。このとき、非選択セルのビットライン21とワードライン24は浮遊させておき、データの書き込みを回避する。
【0041】
上記のデータ書き込み動作が行われたとき、選択されたメモリセルではドレイン近傍でホットエレクトロンが発生する。ホットエレクトロンはトンネル絶縁膜23aの障壁を越えて、トラップ絶縁膜23b中にトラップされる。これにより、選択されたメモリセル(FET)25のしきい値電圧が正方向にシフトする。この状態をデータが書き込まれた状態、すなわち“0”とする。
【0042】
(データ消去動作)
データ消去動作は、選択されたブロックの全てのメモリセルに対し一括して行う。データ消去時には、選択されたブロックのワードライン24の全てに電圧Vwe(例えば、−6V)を印加し、ビットライン21の全てに電圧Vbe(例えば、6V)を印加する。これにより、トラップ絶縁膜23b中にトラップされていた電子が基板20側に排除され、メモリセル(FET)25のしきい値電圧が負方向にシフトする。この状態をデータが消去された状態、すなわち“1”とする。
【0043】
(データ読出動作)
データの読み出し時には、選択されたメモリセルにつながるワードライン24に電圧Vwr(例えば、4V)を印加し、ドレインに接続されたビットライン21に読み出し電圧Vbr(例えば、1.4V)を印加し、ソースに接続されたビットライン21に0Vとする。そして、メモリセル(FET)25に流れる電流を基準電流と比較して、“1”か“0”かを判定する。
【0044】
但し、読み出し時には、データ書き込み時にソースとした不純物拡散層をドレインとし、データ書き込み時にドレインとした不純物拡散層をソースとする。これは、データ書き込みの際にドレインとした不純物拡散領域の近傍には電子がトラップされているため、読み出しの際にはドレインとソースとを反転させたほうがしきい値のシフトが大きくとれるためである。
【0045】
(第1の実施の形態)
図5は本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0046】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜41と、積層ゲート絶縁膜41の上に形成されたポリシリコンからなるゲート電極42とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜41は、基板20側から順にシリコン酸化膜41a、アルミナ(Al2 O3 )膜41b、シリコン酸化膜41cを積層して形成されている。ゲート電極42、シリコン酸化膜41a、アルミナ膜41b及びシリコン酸化膜41cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。なお、アルミナ(Al2 O3 )の比誘電率は9〜10程度である。
【0047】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0048】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜41aは、熱酸化法により形成する。例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜41aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜41aは2〜10nmの厚さとすればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0049】
トラップ絶縁膜であるアルミナ膜41bは、ALCVD(Atomic Layre Chemical Vapor Deposition)法により形成する。例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上にAl(CH3 )3 とオゾン(O3 )とを交互に供給して、アルミナ膜41bを10nmの厚さに形成する。アルミナ膜41bは、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition )法又はPVD(Physical Vapor Deposition )法により形成してもよい。また、アルミナ膜41bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0050】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜41cは、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO:高温酸化膜)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜41cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜41cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0051】
ゲート電極42は、リン又はボロン等の不純物をドープしたポリシリコン又はアモルファスシリコンにより形成する。例えばLPCVD法により、チャンバ内の圧力を26Pa、基板温度を600℃としてシリコン膜を100nmの厚さに形成し、このシリコン膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングしてゲート電極42を形成する。ゲート電極42は、50〜200nmの厚さに形成すればよい。また、ノンドープのシリコン膜を形成した後、リン又はボロン等の不純物をドープしてもよく、CVD法によりリン又はボロン等の不純物がドープされたシリコン膜をゲート絶縁膜上に直接形成してもよい。
【0052】
本実施の形態では、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いアルミナ膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0053】
なお、シリコン酸化膜41a、アルミナ膜41b及びシリコン酸化膜41cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。
このアニール処理によって各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。これらの膜41a,41b,41cの1つを形成する毎にアニール処理を実施してもよく、3つの膜41a,41b,41cを全て形成した後にアニール処理を1回だけ実施してもよい。
【0054】
また、アルミナ膜41bに替えて、AlHfO膜を形成してもよい。AlHfO膜は、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びHf(C2 H5 )3 を使用し、ALCVD法により形成することができる。この場合も、AlHfO膜はシリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いので、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上するという効果が得られる。
【0055】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリを実際に製造し、その特性を調べた結果について説明する。
【0056】
図25(a)に示すように、p型シリコン半導体基板20上に、トンネル絶縁膜として厚さが7nmのシリコン酸化膜41a、トラップ絶縁膜として厚さが10nmのアルミナ(Al2 O3 )膜41b、トップ絶縁膜として厚さが10nmのシリコン酸化膜41cを順番に形成した。そして、これらのシリコン酸化膜41a、アルミナ膜41b及びシリコン酸化膜41cの3層構造の積層ゲート絶縁膜41の上に、ポリシリコンからなるゲート電極42を形成した。その後、ゲート電極42をマスクとしてシリコン半導体基板20にn型不純物を導入して、ソース/ドレインとなる不純物拡散領域40a,40bを形成した。なお、この不揮発性半導体メモリ(FET)のゲート長Lは0.35μmである。
【0057】
このようにして製造された不揮発性半導体メモリに対し、ドレイン電圧Vdを5Vとし、ゲート電圧Vgを9V、10V、12Vとしてデータを書き込んだ。
【0058】
図25(b)は横軸に書き込み時間をとり、縦軸にしきい値電圧Vthをとって、ゲート電圧Vgが9V、10V及び12Vのときの書き込み時間としきい値電圧との関係(書き込み特性)を示す図である。但し、データ読み出し時にはドレイン電圧Vdを1.2Vとしている。この図25(b)から、本実施の形態の不揮発性半導体メモリにデータが正常に書き込まれていることが明らかであり、トラップ絶縁膜(アルミナ膜41b)に電荷が保持されていることがわかる。
【0059】
図26(a)は、横軸に時間をとり、縦軸にしきい値電圧をとって、図25(a)のBit1側にのみ電荷を注入したときのしきい値電圧Vthの時間変化を調べた結果(データ保持特性)を示す図である。また、図26(b)は、図25(a)のBit1側及びBit2側の両方に電荷を注入したときのしきい値電圧Vthの時間変化を調べた結果(データ保持特性)を示す図である。但し、Bit1側にデータを書き込むときには不純物拡散領域40aをドレイン、不純物拡散領域40bをソースとし、Bit2側にデータを書き込むときには不純物拡散領域40bをドレイン、不純物拡散領域40aをソースとしている。また、データの読み出すときには、ソース及びドレインがそれぞれデータ書き込み時とは逆になる。
【0060】
この図26(a),(b)から、本実施の形態の不揮発性半導体メモリでは、Bit1側及びBit2側にそれぞれ個別のデータを記録できることがわかる。
【0061】
図27は、横軸に消去時間をとり、縦軸にしきい値電圧Vthをとって、ゲート電圧を−7V、ドレイン電圧を6Vとしたときの消去特性を示す図である。この図から、0.3秒程度で書き込んだデータが完全に消去されていることがわかる。
【0062】
これらの結果から、本実施の形態の不揮発性半導体メモリは、良好なデータ書き込み、保持及び消去特性を有していることが確認された。また、本実施の形態の不揮発性半導体メモリは、Bit1側及びBit2側にそれぞれ異なるデータを記憶することが可能であり、半導体装置のより一層の高集積化が可能となる。
【0063】
(第2の実施の形態)
図6は本発明の第2の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0064】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜51と、積層ゲート絶縁膜51の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極52とにより構成されている、積層ゲート絶縁膜51は、基板20側からシリコン窒化膜51a、AlHfO膜51b及びシリコン酸化膜51cを順に積層して形成されている。ゲート電極52、シリコン窒化膜51a、AlHfO膜51b、シリコン酸化膜51cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0065】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0066】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜51aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン窒化膜51aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜51aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜51aは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0067】
トラップ絶縁膜であるAlHfO膜51bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板20の上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、AlHfO膜51bを10nmの厚さに形成する。AlHfO膜51bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、AlHfO膜51bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0068】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜51cは、LPCVD法により形成する。
例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることにより、高温酸化(HTO)膜を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜51cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成することもできる。また、シリコン酸化膜41cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0069】
なお、シリコン窒化膜51a、AlHfO膜51b及びシリコン酸化膜51cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0070】
ゲート電極52の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0071】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜としてシリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いAlHfO膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比してデータの信頼性が向上する。
【0072】
また、本発明においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0073】
(第3の実施の形態)
図7は本発明の第3の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0074】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜61と、積層ゲート絶縁膜61の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極62とにより構成されている、積層ゲート絶縁膜61は、基板20側からシリコン酸化膜61a、AlHfO膜61b及びシリコン窒化膜61cを順に積層して形成されている。ゲート電極62、シリコン酸化膜61a、AlHfO膜61b及びシリコン窒化膜61cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0075】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0076】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜61aは、熱酸化法により形成する。例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜61aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜61aは2〜10nmの厚さに形成すればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0077】
トラップ絶縁膜であるAlHfO膜61bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、温度が300℃の基板の上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、AlHfO膜61bを10nmの厚さに形成する。AlHfO膜61bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、AlHfO膜61bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0078】
トップ絶縁膜であるシリコン窒化膜61cはLPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa,基板温度を780℃として、シリコン窒化膜61cを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜の誘電率は成膜条件に変化するが、通常の成膜条件の範囲ではシリコン酸化膜よりも誘電率が高くなり、上記の条件によって形成されたシリコン窒化膜も、通常の成膜条件で形成されたシリコン酸化膜より誘電率が高くなる。シリコン窒化膜61cは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜61cは、2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0079】
なお、シリコン酸化膜61a、AlHfO膜61b及びシリコン窒化膜61cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0080】
ゲート電極62の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0081】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜がシリコン窒化膜に比べて電荷保持能力が高いAlHfO膜により構成されているので、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0082】
また、本実施の形態においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いシリコン窒化膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0083】
(第4の実施の形態)
図8は本発明の第4の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0084】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜71と、積層ゲート絶縁膜71の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極72とにより構成されている、積層ゲート絶縁膜71は、基板20側からシリコン窒化膜71a、AlHfO膜71b及びHfO2 膜71cを順に積層して形成されている。ゲート電極72、シリコン窒化膜71a、AlHfO膜71b及びHfO2 膜71cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0085】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0086】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜71aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃として、シリコン窒化膜71aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜71aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜71aは、2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0087】
トラップ絶縁膜であるAlHfO膜71bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱された基板の上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、AlHfO膜71bを10nmの厚さに形成する。AlHfO膜71bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、AlHfO膜71bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0088】
トップ絶縁膜であるHfO2 膜71cは、CVD法により形成する。例えば、CVD装置のチャンバ内の圧力を65Pa,温度を500℃としてHfO2 膜71cを10nmの厚さに形成する。HfO2 膜の誘電率は成膜条件により変化するが、通常の成膜条件の範囲ではシリコン酸化膜よりも誘電率が高くなり、上記の条件によって形成されたHfO2 膜も、通常の成膜条件で形成されたシリコン酸化膜より誘電率が高くなる。HfO2 膜71cは、ALCVD法、MOCVD法、ALD法、MBE法又はPVD法により形成してもよい。また、HfO2 膜71cは、1〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0089】
なお、シリコン窒化膜71a、AlHfO膜71b及びHfO2 膜71cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0090】
ゲート電極の形成方法は第1の実施の形態で同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0091】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜がシリコン窒化膜に比べて電荷保持能力が高いAlHfO膜により形成されているので、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0092】
また、本実施の形態においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0093】
更に、本実施の形態においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いHfO2 膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0094】
(第5の実施の形態)
図9は本発明の第5の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0095】
本実施の形態では、トンネル絶縁膜81を、シリコン酸化膜81aとLa2 O5 膜81bとを積層して構成している。また、トラップ絶縁膜82を、シリコン窒化膜82aとアルミナ膜82bとを積層して構成している。更に、トップ絶縁膜83を、HfO2 膜83aとアルミナ膜83bとを積層して構成している。
【0096】
このように、トンネル絶縁膜81、トラップ絶縁膜82及びトップ絶縁膜83のうちのいずれか1以上の膜を、組成が異なる複数の層の積層構造としても、第1〜第4の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0097】
(第6の実施の形態)
図10は本発明の第6の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0098】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜101と、積層ゲート絶縁膜104の上に形成されたポリシリコンからなるゲート電極102とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜101は、基板20側から順にシリコン酸化膜101a、HfO2 膜101b、シリコン酸化膜101cを積層して形成されている。ゲート電極102、シリコン酸化膜101a、HfO2 膜101b及びシリコン酸化膜101cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0099】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0100】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜101aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜101aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜101aは2〜10nmの厚さとすればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0101】
トラップ絶縁膜であるHfO2 膜101bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上にHf(C2 H5 )3 とオゾン(O3 )とを交互に供給して、HfO2 膜101bを10nmの厚さに形成する。HfO2 膜101bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfO2 膜101bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0102】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜101cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO:高温酸化膜)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜101cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜101cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0103】
なお、シリコン酸化膜101a、HfO2 膜101b及びシリコン酸化膜101cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理によって各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。これらの膜101a,101b,101cの1つを形成する毎にアニール処理を実施してもよく、3つの膜101a,101b,101cを全て形成した後にアニール処理を1回だけ実施してもよい。
【0104】
ゲート電極102の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0105】
本実施の形態では、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いHfO2 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0106】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリを実際に製造し、その特性を調べた結果について説明する。
【0107】
図28(a)に示すように、p型シリコン半導体基板20上に、トンネル絶縁膜として厚さが7nmのシリコン酸化膜101a、トラップ絶縁膜として厚さが10nmのHfO2 膜101b、トップ絶縁膜として厚さが10nmのシリコン酸化膜101cを順番に形成した。そして、これらのシリコン酸化膜101a、HfO2 膜101b及びシリコン酸化膜101cの3層構造の積層ゲート絶縁膜101の上に、ポリシリコンからなるゲート電極102を形成した。その後、ゲート電極102をマスクとしてシリコン半導体基板20にn型不純物を導入して、ソース/ドレインとなる不純物拡散層100a,100bを形成した。なお、この不揮発性半導体メモリ(FET)のゲート長Lは0.35μmである。
【0108】
このようにして製造された不揮発性半導体メモリに対し、ドレイン電圧Vdを5.5Vとし、ゲート電圧Vgを11Vとしてデータを書き込んだ。
【0109】
図28(b)は横軸に書き込み時間をとり、縦軸にしきい値電圧Vthをとって、書き込み時間としきい値電圧との関係(書き込み特性)を示す図である。但し、データ読み出し時にはドレイン電圧Vdを1.2Vとしている。この図28(b)から、本実施の形態の不揮発性半導体メモリにデータが正常に書き込まれていることが明らかであり、トラップ絶縁膜(HfO2 膜101b)に電荷が保持されていることがわかる。
【0110】
図29は、横軸に時間をとり、縦軸にしきい値電圧をとって、図28(a)のBit1側にのみ電荷を注入したときのしきい値電圧Vthの時間変化(データ保持特性)を調べた結果を示す図である。但し、Bit1側にデータを書き込むときには不純物拡散領域100aをソース、不純物拡散領域100bをドレインとしている。
【0111】
この図29から、本実施の形態の不揮発性メモリでは、書き込まれたデータを確実に保持していることが確認された。
【0112】
図30は、横軸に消去時間をとり、縦軸にしきい値電圧Vthをとって、ゲート電圧を−7V、ドレイン電圧を5Vとしたときの消去特性を示す図である。この図から、書き込んだデータを消去できることがわかる。
【0113】
これらの結果から、本実施の形態の不揮発性半導体メモリは、良好なデータ書き込み、保持及び消去特性を有していることが確認された。また、本実施の形態の不揮発性半導体メモリは、Bit1側及びBit2側にそれぞれ異なるデータを記憶することが可能であり、半導体装置のより一層の高集積化が可能となる。
【0114】
(第7の実施の形態)
図11は本発明の第7の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0115】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜111と、積層ゲート絶縁膜111の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極112とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜111は、基板20側から順にシリコン酸化膜111a、HfAlO膜111b及びシリコン酸化膜111cを積層して形成されている。ゲート電極112、シリコン酸化膜111a、HfAlO膜111b及びシリコン酸化膜111cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0116】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0117】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜111aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜111aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜111aは2〜10nmの厚さとすればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0118】
トラップ絶縁膜であるHfAlO膜111bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、HfAlO膜111bを10nmの厚さに形成する。HfAlO膜111bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfAlO膜111bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0119】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜111cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜111cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜111cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0120】
なお、シリコン酸化膜111a、HfAlO膜111b及びシリコン酸化膜111cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理によって各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0121】
ゲート電極112の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0122】
本実施の形態では、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いHfAlO膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0123】
(第8の実施の形態)
図12は本発明の第8の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0124】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜121と、積層ゲート絶縁膜121の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極122とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜121は、基板20側から順にシリコン窒化膜121a、HfO2 膜121b及びシリコン酸化膜121cを積層して形成されている。ゲート電極122、シリコン窒化膜121a、HfO2 膜121b及びシリコン酸化膜121cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0125】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0126】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜121aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン半導体基板20の上にシリコン窒化膜121aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜121aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜121aは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0127】
トラップ絶縁膜であるHfO2 膜121bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、HfO2 膜121bを10nmの厚さに形成する。HfO2 膜121bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfO2 膜121bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0128】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜121cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜121cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜121cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0129】
なお、シリコン窒化膜121a、HfO2 膜121b及びシリコン酸化膜121cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0130】
ゲート電極122の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0131】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いHfO2 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0132】
また、本発明においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0133】
(第9の実施の形態)
図13は本発明の第9の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0134】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜131と、積層ゲート絶縁膜131の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極132とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜131は、基板20側から順にシリコン酸化膜131a、HfO2 膜131b及びシリコン窒化膜131cを積層して形成されている。ゲート電極132、シリコン酸化膜131a、HfO2 膜131b及びシリコン窒化膜131cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0135】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0136】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜131aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜131aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜131aは2〜10nmの厚さに形成すればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0137】
トラップ絶縁膜であるHfO2 膜131bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、HfO2 膜131bを10nmの厚さに形成する。HfO2 膜131bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfO2 膜131bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0138】
トップ絶縁膜であるシリコン窒化膜131cはLPCVD法により形成する。
例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン窒化膜131cを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜131cは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜131cは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0139】
なお、シリコン酸化膜131a、HfO2 膜131b及びシリコン窒化膜131cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0140】
ゲート電極132の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0141】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いHfO2 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0142】
また、本発明においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いシリコン窒化膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0143】
(第10の実施の形態)
図14は本発明の第10の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0144】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜141と、積層ゲート絶縁膜141の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極142とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜141は、基板20側から順にシリコン窒化膜141a、HfAlO膜141b、HfO2 膜141cを積層して形成されている。ゲート電極142、シリコン窒化膜141a、HfAlO膜141b及びHfO2 膜141cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0145】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0146】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜141aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン半導体基板20の上にシリコン窒化膜141aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜141aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜141aは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0147】
トラップ絶縁膜であるHfAlO膜141bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、HfAlO膜141bを10nmの厚さに形成する。HfAlO膜141bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfAlO膜141bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0148】
トップ絶縁膜であるHfO2 膜141cは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、HfO2 膜141cを10nmの厚さに形成する。HfO2 膜141cは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfO2 膜141cは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0149】
ゲート電極142の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0150】
なお、シリコン窒化膜141a、HfAlO膜141b及びHfO2 膜141cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0151】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いHfAlO膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0152】
また、本発明においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0153】
更に、本発明においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いHfO2 膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0154】
上記第6〜第10の実施の形態において、図9に示すように、トンネル絶縁膜、トラップ絶縁膜及びトップ絶縁膜のうちの少なくとも1つを多層構造としてもよい。
【0155】
(第11の実施の形態)
図15は本発明の第11の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0156】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜151と、積層ゲート絶縁膜151の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極152とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜151は、基板20側から順にシリコン酸化膜151a、ZrO2 膜151b及びシリコン酸化膜151cを積層して形成されている。ゲート電極152、シリコン酸化膜151a、ZrO2 膜151b及びシリコン酸化膜151cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0157】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0158】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜151aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜151aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜151aは2〜10nmの厚さとすればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0159】
トラップ絶縁膜であるZrO2 膜151bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてZr(C2 H5 )4 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、ZrO2 膜151bを10nmの厚さに形成する。ZrO2 膜151bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、ZrO2 膜151bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0160】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜151cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜151cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜151cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0161】
なお、シリコン酸化膜151a、ZrO2 膜151b及びシリコン酸化膜151cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理によって各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0162】
ゲート電極152の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0163】
本実施の形態では、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いZrO2 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0164】
(第12の実施の形態)
図16は本発明の第12の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0165】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜161と、積層ゲート絶縁膜161の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極162とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜161は、基板20側から順にシリコン酸化膜161a、ZrAlO膜161b、シリコン酸化膜161cを積層して形成されている。ゲート電極162、シリコン酸化膜161a、ZrAlO膜161b及びシリコン酸化膜161cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0166】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0167】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜161aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜41aを形成する。
その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜161aは2〜10nmの厚さとすればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0168】
トラップ絶縁膜であるZrAlO膜161bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びZr(C2 H5 )4 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、ZrAlO膜161bを10nmの厚さに形成する。ZrAlO膜161bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、ZrAlO膜161bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0169】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜161cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜161cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜161cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0170】
なお、シリコン酸化膜161a、ZrAlO膜161b及びシリコン酸化膜161cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理によって各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0171】
ゲート電極162の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0172】
本実施の形態では、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いZrAlO膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0173】
(第13の実施の形態)
図17は本発明の第13の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0174】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜171と、積層ゲート絶縁膜171の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極172とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜171は、基板20側から順にシリコン窒化膜171a、ZrO2 膜171b及びシリコン酸化膜171cを積層して形成されている。ゲート電極172、シリコン窒化膜171a、ZrO2 膜171b及びシリコン酸化膜171cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0175】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0176】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜171aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン半導体基板20の上にシリコン窒化膜171aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜171aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜171aは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0177】
トラップ絶縁膜であるZrO2 膜171bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてZr(C2 H5 )4 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、ZrO2 膜171bを10nmの厚さに形成する。ZrO2 膜171bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、ZrO2 膜171bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0178】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜171cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜171cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜171cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0179】
なお、シリコン窒化膜171a、ZrO2 膜171b及びシリコン酸化膜171cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0180】
ゲート電極172の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0181】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いZrO2 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0182】
また、本発明においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0183】
(第14の実施の形態)
図18は本発明の第14の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0184】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜181と、積層ゲート絶縁膜181の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極182とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜181は、基板20側から順にシリコン酸化膜181a、ZrO2 膜181b及びシリコン窒化膜181cを積層して形成されている。ゲート電極182、シリコン酸化膜181a、ZrO2 膜181b及びシリコン窒化膜181cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0185】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0186】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜181aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜181aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜181aは2〜10nmの厚さに形成すればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0187】
トラップ絶縁膜であるZrO2 膜181bは、ALCVD法により形成する。
例えば、原料溶液としてZr(C2 H5 )4 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、ZrO2 膜181bを10nmの厚さに形成する。ZrO2 膜181bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、ZrO2 膜181bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0188】
トップ絶縁膜であるシリコン窒化膜181cはLPCVD法により形成する。
例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン窒化膜181cを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜181cは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜181cは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0189】
なお、シリコン酸化膜181a、ZrO2 膜181b及びシリコン窒化膜181cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0190】
ゲート電極182の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0191】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いZrO2 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0192】
また、本発明においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いシリコン窒化膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0193】
(第15の実施の形態)
図19は本発明の第15の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0194】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜191と、積層ゲート絶縁膜191の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極192とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜191は、基板20側から順にシリコン窒化膜191a、ZrAlO膜191b、HfO2 膜191cを積層して形成されている。ゲート電極192、シリコン窒化膜191a、ZrAlO膜191b及びHfO2 膜191cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0195】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0196】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜191aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン半導体基板20の上にシリコン窒化膜191aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜191aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜191aは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0197】
トラップ絶縁膜であるZrAlO膜191bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びZr(C2 H5 )4 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、ZrAlO膜191bを10nmの厚さに形成する。ZrAlO膜191bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、ZrAlO膜191bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0198】
トップ絶縁膜であるHfO2 膜191cは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、HfO2 膜191cを10nmの厚さに形成する。HfO2 膜191cは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfO2 膜191cは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0199】
ゲート電極192の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0200】
なお、シリコン窒化膜191a、ZrAlO膜191b及びHfO2 膜191cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0201】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いZrAlO膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0202】
また、本発明においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0203】
更に、本発明においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いHfO2 膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0204】
上記第11〜第15の実施の形態において、図9に示すように、トンネル絶縁膜、トラップ絶縁膜及びトップ絶縁膜のうちの少なくとも1つを多層構造としてもよい。
【0205】
(第16の実施の形態)
図20は本発明の第16の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0206】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜201と、積層ゲート絶縁膜201の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極202とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜201は、基板20側から順にシリコン酸化膜201a、La2 O3 膜201b、シリコン酸化膜201cを積層して形成されている。ゲート電極2022、シリコン酸化膜201a、La2 O3 膜201b及びシリコン酸化膜201cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0207】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0208】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜201aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜201aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜201aは2〜10nmの厚さとすればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0209】
トラップ絶縁膜であるLa2 O3 膜201bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてLa(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、La2 O3 膜201bを10nmの厚さに形成する。La2 O3 膜201bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、La2 O3 膜201bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0210】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜201cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜201cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜201cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0211】
なお、シリコン酸化膜201a、La2 O3 膜201b及びシリコン酸化膜201cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理によって各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0212】
ゲート電極202の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0213】
本実施の形態では、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いLa2 O3 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0214】
(第17の実施の形態)
図21は本発明の第17の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0215】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜211と、積層ゲート絶縁膜211の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極212とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜211は、基板20側から順にシリコン酸化膜211a、LaAlO膜211b及びシリコン酸化膜211cを積層して形成されている。ゲート電極212、シリコン酸化膜211a、LaAlO膜211b及びシリコン酸化膜211cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0216】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0217】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜211aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜211aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜211aは2〜10nmの厚さとすればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0218】
トラップ絶縁膜であるLaAlO膜211bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びLa(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、LaAlO膜211bを10nmの厚さに形成する。LaAlO膜211bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、LaAlO膜211bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0219】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜211cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜211cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜211cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0220】
なお、シリコン酸化膜211a、LaAlO膜211b及びシリコン酸化膜211cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理によって各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0221】
ゲート電極212の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0222】
本実施の形態では、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いLaAlO膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0223】
(第18の実施の形態)
図22は本発明の第18の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0224】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜221と、積層ゲート絶縁膜221の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極222とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜221は、基板20側から順にシリコン窒化膜221a、La2 O3 膜221b、シリコン酸化膜221cを積層して形成されている。ゲート電極222、シリコン窒化膜221a、La2 O3 膜221b及びシリコン酸化膜221cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0225】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0226】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜221aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン半導体基板20の上にシリコン窒化膜221aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜221aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜221aは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0227】
トラップ絶縁膜であるLa2 O3 膜221bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてLa(C2 H5 )4 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、La2 O3 膜221bを10nmの厚さに形成する。La2 O3 膜221bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。
また、La2 O3 膜221bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0228】
トップ絶縁膜であるシリコン酸化膜221cは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を133Pa、基板温度を800℃とし、SiH4 とN2 Oとを反応させることによりシリコン酸化膜(HTO)を10nmの厚さに形成する。シリコン酸化膜221cは、TEOSソースを用いたCVD法、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン酸化膜221cは3〜20nmの厚さに形成すればよい。
【0229】
なお、シリコン窒化膜221a、La2 O3 膜221b及びシリコン酸化膜221cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0230】
ゲート電極222の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0231】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いLa2 O3 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0232】
また、本発明においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0233】
(第19の実施の形態)
図23は本発明の第19の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0234】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜231と、積層ゲート絶縁膜231の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極232とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜231は、基板20側から順にシリコン酸化膜231a、La2 O3 膜231b、シリコン窒化膜231cを積層して形成されている。ゲート電極232、シリコン酸化膜231a、La2 O3 膜231b及びシリコン窒化膜231cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0235】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0236】
トンネル絶縁膜であるシリコン酸化膜231aは、熱酸化法により形成する。
例えば、シリコン半導体基板20の表面にシリコン窒化膜のマスクを所定のパターンで形成した後、ドライ雰囲気中でシリコン半導体基板20の表面を1000℃の温度で熱酸化させて、厚さが約7nmのシリコン酸化膜231aを形成する。その後、シリコン窒化膜を除去する。シリコン酸化膜231aは2〜10nmの厚さに形成すればよく、熱酸化法以外の方法で形成してもよい。
【0237】
トラップ絶縁膜であるLa2 O3 膜231bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてLa(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、La2 O3 膜231bを10nmの厚さに形成する。La2 O3 膜231bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。
また、La2 O3 膜231bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0238】
トップ絶縁膜であるシリコン窒化膜231cはLPCVD法により形成する。
例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン窒化膜231cを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜231cは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜231cは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0239】
なお、シリコン酸化膜231a、La2 O3 膜231b及びシリコン窒化膜231cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0240】
ゲート電極232の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0241】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いLa2 O3 膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0242】
また、本発明においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いシリコン窒化膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0243】
(第20の実施の形態)
図24は本発明の第20の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【0244】
本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルは、p型シリコン半導体基板20の上に形成された積層ゲート絶縁膜241と、積層ゲート絶縁膜241の上に形成されたポリシリコン又はアモルファスシリコンからなるゲート電極242とにより構成されている。積層ゲート絶縁膜241は、基板20側から順にシリコン窒化膜241a、LaAlO膜241b、HfO2 膜241cを積層して形成されている。ゲート電極242、シリコン窒化膜241a、LaAlO膜241b及びHfO2 膜241cが図3のワードライン24、トンネル絶縁膜23a、トラップ絶縁膜23b及びトップ絶縁膜23cにそれぞれ対応している。
【0245】
以下、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。
【0246】
トンネル絶縁膜であるシリコン窒化膜241aは、LPCVD法により形成する。例えば、LPCVD装置のチャンバ内の圧力を25Pa、基板温度を780℃としてシリコン半導体基板20の上にシリコン窒化膜241aを10nmの厚さに形成する。シリコン窒化膜241aは、MOCVD法又はプラズマCVD法により形成してもよい。また、シリコン窒化膜241aは2〜15nmの厚さに形成すればよい。
【0247】
トラップ絶縁膜であるLaAlO膜241bは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてAl(CH3 )3 及びLa(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、LaAlO膜241bを10nmの厚さに形成する。LaAlO膜241bは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、LaAlO膜241bは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0248】
トップ絶縁膜であるHfO2 膜241cは、ALCVD法により形成する。例えば、原料溶液としてHf(C2 H5 )3 を使用し、窒素バブリングにより原料溶液を気化して原料ガスとし、300℃に加熱した基板上に原料ガスとオゾンガスとを交互に供給して、HfO2 膜241cを10nmの厚さに形成する。HfO2 膜241cは、MOCVD法又はPVD法により形成してもよい。また、HfO2 膜241cは、1〜40nmの厚さに形成すればよい。
【0249】
ゲート電極242の形成方法は第1の実施の形態と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【0250】
なお、シリコン窒化膜241a、LaAlO膜241b及びHfO2 膜241cを成膜した後に、600〜1000℃の温度でアニール処理することが好ましい。このアニール処理により各膜の膜質が緻密になり、良好な電気特性になることが期待できる。
【0251】
本実施の形態においては、トラップ絶縁膜として、シリコン窒化膜よりも電荷保持能力が高いLaAlO膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてデータの信頼性が向上する。
【0252】
また、本発明においては、トンネル絶縁膜としてシリコン酸化膜よりもバリアハイトが低いシリコン窒化膜を使用している。これにより、従来のSONOS型メモリに比べてトラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0253】
更に、本発明においては、トップ絶縁膜としてシリコン酸化膜よりも誘電率が高いHfO2 膜を使用しているので、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【0254】
上記第16〜第20の実施の形態において、図9に示すように、トンネル絶縁膜、トラップ絶縁膜及びトップ絶縁膜のうちの少なくとも1つを多層構造としてもよい。
【0255】
また、第16〜第20の実施の形態では、ランタノイド(Ln)がLa(ランタン)の場合について説明しているが、その他のランタノイド元素を使用しても同様の効果を得ることができる。
【0256】
更に、上記第1〜第20の実施の形態では、いずれも本発明をワードラインとソース/ドレインとが直交する方向に形成されたNROMに適用した場合について説明しているが、本発明は他の構造の単ゲート型不揮発性半導体メモリにも適用することが可能であり、例えば図1に示すような構造の単ゲート型不揮発性半導体メモリに適用することもできる。
【0257】
(付記1)半導体基板と、前記半導体基板に形成された一対の不純物拡散領域と、前記一対の不純物拡散領域の間の領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 及びLn2 O3 (但し、Lnはランタノイド元素)からなる群から選択された少なくとも1種の酸化物により前記トンネル絶縁膜上に形成されたトラップ絶縁膜と、前記トラップ絶縁膜の上に形成されたトップ絶縁膜と、前記トップ絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0258】
(付記2)半導体基板と、前記半導体基板に形成された一対の不純物拡散領域と、前記一対の不純物拡散領域の間の領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、Al、Hf、Zr及びLn(但し、Lnはランタノイド元素)からなる群から選択された1種の元素を主成分とする酸化物により前記トンネル絶縁膜上に形成されたトラップ絶縁膜と、前記トラップ絶縁膜の上に形成されたトップ絶縁膜と、前記トップ絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0259】
(付記3)前記トンネル絶縁膜のバリアハイトが、同じ膜厚のシリコン酸化膜のバリアハイトよりも低いことを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0260】
(付記4)前記トップ絶縁膜の比誘電率が、シリコン酸化膜の比誘電率よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0261】
(付記5)前記トラップ絶縁膜が、AlHfO、AlZrO、AlTaO、AlTiO及びZrAlOからなる群から選択された少なくとも1種の化合物により形成されていることを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0262】
(付記6)前記トラップ絶縁膜が、Al2 O3 、AlHfO、AlZrO、AlTaO、AlTiO及びZrAlOからなる群から選択された少なくとも1種の化合物のシリケート又はアルミネートにより形成されていることを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0263】
(付記7)前記トンネル絶縁膜が、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOからなる群から選択された少なくとも1種の化合物により形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0264】
(付記8)前記トンネル絶縁膜が、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOからなる群から選択された少なくとも1種の化合物のシリケート又はアルミネートにより形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0265】
(付記9)前記トップ絶縁膜が、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOからなる群から選択された少なくとも1種の化合物により形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0266】
(付記10)前記トップ絶縁膜が、SiN、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 、La2 O3 、Pr2 O3 、SrTiO2 、BaSrTiO3 、TiO2 、AlN、Ta2 O5 、TaN、HfAlO及びZrAlOからなる群から選択された少なくとも1種の化合物のシリケート又はアルミネートにより形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0267】
(付記11)前記トンネル絶縁膜が、組成が異なる複数の膜により構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0268】
(付記12)前記トラップ絶縁膜が、組成が異なる複数の膜により構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0269】
(付記13)前記トップ絶縁膜が、組成が異なる複数の膜により構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体メモリ。
【0270】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、トラップ絶縁膜を、Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 及びLn2 O3 のうちのいずれか1種の酸化物、又はAl、Hf、Zr及びLnのうちのいずれか1種の元素を主成分をする酸化物により形成しているので、単ゲート型不揮発性半導体メモリのデータの保持能力が向上する。
【0271】
また、トンネル絶縁膜を、シリコン酸化膜よりもバリアハイトが低い材料により形成することにより、トラップ絶縁膜へのホットエレクトロンの注入効率が向上し、データの読み出し/書き込み時間が短縮される。
【0272】
更に、トップ絶縁膜を、シリコン酸化膜よりも比誘電率が高い材料により形成すると、ゲート電極からの電界をトンネル絶縁膜に有効に作用させることができ、その結果、駆動電圧を高くすることなくデータの書き込み/消去時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来のSONOS型メモリのメモリセル構造を示す模式的断面図である。
【図2】図2は本発明を適用した不揮発性半導体メモリの平面図である。
【図3】図3(a)は図2のI−I線による断面図、図3(b)は図2のII−II線による断面図、図3(c)は図2のIII −III 線による断面図である。
【図4】図4は、本発明の不揮発性半導体メモリの回路構成の例を示すブロック図である。
【図5】図5は本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図6】図6は本発明の第2の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図7】図7は本発明の第3の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図8】図8は本発明の第4の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図9】図9は本発明の第5の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図10】図10は本発明の第6の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図11】図11は本発明の第7の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図12】図12は本発明の第8の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図13】図13は本発明の第9の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図14】図14は本発明の第10の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図15】図15は本発明の第11の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図16】図16は本発明の第12の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図17】図17は本発明の第13の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図18】図18は本発明の第14の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図19】図19は本発明の第15の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図20】図20は本発明の第16の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図21】図21は本発明の第17の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図22】図22は本発明の第18の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図23】図23は本発明の第19の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図24】図24は本発明の第20の実施の形態の不揮発性半導体メモリの積層ゲート絶縁膜の構成を示す模式図である。
【図25】図25(a)は第1の実施の形態の不揮発性半導体メモリを示す模式図、図25(b)は同じくその不揮発性半導体メモリの書き込み特性を示す図である。
【図26】図26(a)は第1の実施の形態の不揮発性半導体メモリのBit1側にのみ電荷を注入したときのデータ保持特性を調べた結果を示す図、図26(b)は同じくそのBit1側及びBit2側の両方に電荷を注入したときのデータ保持特性を調べた結果を示す図である。
【図27】図27は、第1の実施の形態の不揮発性半導体メモリの消去特性を示す図である。
【図28】図28(a)は第6の実施の形態の不揮発性半導体メモリを示す模式図、図28(b)は同じくその不揮発性半導体メモリの書き込み特性を示す図である。
【図29】図29は、第6の実施の形態の不揮発性半導体メモリのBit1側にのみ電荷を注入したときのデータ保持特性を調べた結果を示す図である。
【図30】図30は、第6の実施の形態の不揮発性半導体メモリの消去特性を示す図である。
【符号の説明】
10,20…半導体基板、
11…不純物拡散領域、
12,23,4,51,61,71…ゲート絶縁膜、
12a,12c,41a,41c,51c,61a,81a,101a,101c,111a,111c,121c,131a,151a,151c,161a,161b,171c,181a,201a,201c,211a,211c,221c,231a…シリコン酸化膜、
12b,51a,61c,71a,82a,121a,131c,141a,171a,181c,191a,221a,231c,241a…シリコン窒化膜、
13,42,52,62,72…ゲート電極、
21…ビットライン、
22…局所絶縁膜、
23a,81…トンネル絶縁膜、
23b,82…トラップ絶縁膜、
23c,83…トップ絶縁膜、
24…ワードライン、
25…メモリセル、
30…制御回路、
31…センスアンプ部、
32…ワードラインドライバ、
33…CPU、
41b,82b,83b…アルミナ膜、
51b,61b,71b…AlHfO膜、
71c,83a,101b,121b,131b,141c,191c…HfO2 膜、
81b…La2 O5 膜、
111b,141b,241c…HfAlO膜、
152b,171b,181b…ZrO2 膜、
161b,191b…ZrAlO膜、
201b,221b,231b…La2 O3 膜、
211b,241b…LaAlO膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention has a gate insulating film formed by stacking a tunnel insulating film, a trap insulating film, and a top insulating film, and writes and erases data by transferring electric charges to and from the trap insulating film through the tunnel insulating film. And a nonvolatile semiconductor memory that performs
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a conventional nonvolatile semiconductor memory, a floating gate type memory having a double gate structure having two gate electrodes, a floating gate and a control gate, is generally used (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-26072). However, in recent years, a complicated manufacturing process having a double gate structure has become prominent as an obstacle to miniaturization.
[0003]
For this reason, a single-gate nonvolatile semiconductor memory having one gate electrode has attracted attention. In a single-gate nonvolatile semiconductor memory, a material capable of storing electric charge is used in a gate insulating film between a semiconductor substrate and a gate electrode, and the threshold voltage changes due to the electric charge stored in the gate insulating film. This is used to store data. Such single-gate nonvolatile semiconductor memories include a SONOS (Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon) type memory and a MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon) type memory.
[0004]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a memory cell structure of a conventional SONOS type memory (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-358237). In the SONOS type memory, one memory cell is constituted by one FET (Field Effect Transistor).
[0005]
In the
Further,
[0006]
When writing data in the SONOS memory configured as described above, a sufficiently high voltage is applied to the
[0007]
On the other hand, when erasing data written in the memory cell, a positive voltage is applied to both the pair of
[0008]
An insulating film that traps electric charges, such as the
[0009]
It should be noted, Boaz Eitan said the like of the literature ( "Can NROM, a 2 Bit, Trapping Storage NVM Cell, Give a Real Challenge to Floating Gate Cells?", Extended Abstracts of the 1999 International Conference on Solid State Devices and Materials, Tokyo, 1999 ) Describes the structure of a SONOS type NROM. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-58831 describes a nonvolatile semiconductor memory in which a trap insulating film is formed of a titanium oxide film.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-2-26072
[Patent Document 2]
JP 2001-358237 A (FIG. 2)
[Patent Document 3]
JP-A-2000-58831 (FIG. 31)
[Non-patent document 1]
See Boaz Eitan et al. "Can NROM, a2 Bit, Trapping Storage NVM Cell, Givea Real Challenge to Floating Gate Cells?"
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, the present inventors consider that the above-mentioned conventional SONOS type memory has the following problems. That is, in a conventional SONOS type memory, a silicon nitride film is used as a trap insulating film. However, the charge holding ability of the silicon nitride film is not sufficient, and it cannot be said that data reliability is sufficiently ensured.
[0012]
In a conventional SONOS memory, a silicon oxide film is used as a top insulating film. However, since the dielectric constant of the silicon oxide film is low, the ratio of the electric field from the gate electrode acting on the tunnel insulating film is small due to the coupling ratio. Therefore, if the voltage applied to the gate electrode is not increased, the time required for writing / erasing data becomes longer. In order to increase the voltage applied to the gate electrode, it is necessary to increase the element size of the memory cell and the peripheral circuit to increase the breakdown voltage, which hinders high integration of the semiconductor device.
[0013]
Further, in the conventional SONOS type memory, since a silicon oxide film is used as a tunnel insulating film, the barrier height is high, and the time required for writing / erasing data is lengthened.
[0014]
In view of the above, an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory in which a trap insulating film has a high data holding capability and high data reliability.
[0015]
Another object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory which can perform data writing / erasing in a short time.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by providing a semiconductor substrate, a pair of impurity diffusion regions formed in the semiconductor substrate, a tunnel insulating film formed on a region between the pair of impurity diffusion regions, 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 And Ln 2 O 3 (Where Ln is a lanthanoid element) a trap insulating film formed on the tunnel insulating film by at least one oxide selected from the group consisting of: a top insulating film formed on the trap insulating film; And a gate electrode formed on the top insulating film.
[0017]
Further, the above-mentioned problem is solved by a semiconductor substrate, a pair of impurity diffusion regions formed in the semiconductor substrate, a tunnel insulating film formed on a region between the pair of impurity diffusion regions, Al, Hf, Zr And Ln (where Ln is a lanthanoid element), a trap insulating film formed on the tunnel insulating film by an oxide mainly containing one element selected from the group consisting of: The problem is solved by a nonvolatile semiconductor memory including a formed top insulating film and a gate electrode formed on the top insulating film.
[0018]
Note that the lanthanoid elements refer to 15 elements from La (lanthanum) having an atomic number of 57 to Lu (lutetium) having an atomic number of 71.
[0019]
Further, in the present application, for example, when an oxide containing Al as a main component is described, it means that the number of Al atoms is the largest, or that it is the second largest after oxygen. The same applies to an oxide containing Hf as a main component, an oxide containing Zr as a main component, and an oxide containing Ln as a main component. Furthermore, AlHfO 2 Is an oxide containing Al as a main component and HfAlO 2 When it is described, it means that it is an oxide containing Hf as a main component.
[0020]
The present inventors have conducted various experimental studies to improve the data reliability of the single-gate nonvolatile semiconductor memory. As a result, the trap insulating film was formed of alumina (Al). 2 O 3 ) Or other oxides containing Al (aluminum) have been found to significantly improve data retention. The present invention has been made based on such experimental results.
[0021]
Alumina (Al) 2 O 3 ) Or other oxides containing aluminum improve the data retention ability, but the trap level of these oxides is deeper than the trap level of the silicon nitride film, and the This is probably because the accumulated charge is difficult to escape.
[0022]
Therefore, in the present invention, the trap insulating film is formed of an insulator mainly containing an oxide containing aluminum. Examples of oxides containing aluminum include, for example, Al 2 O 3 , AlHfO, AlZrO, AlTaO, AlTiO and ZrAlO. Also, Al 2 O 3 The trap insulating film may be formed of a silicate or aluminate of at least one compound of AlHfO, AlZrO, AlTaO, AlTiO and ZrAlO.
[0023]
In addition, according to experiments performed by the present inventors, HfO 2 And an oxide containing Hf as a main component, ZrO 2 And an oxide containing Zr as a main component, and Ln 2 O 3 Also, it has been found that the data retention ability can be improved even when any one of the oxides containing Ln as a main component is used as the trap insulating film. Therefore, a trap insulating film may be formed using these compounds.
[0024]
Al 2 O 3 Has a deep trap level and can stably trap charges. On the other hand, HfO 2 And Ln 2 O 3 Is not so deep, the HfO 2 And Ln 2 O 3 Is Al 2 O 3 It is considered that it is harder to hold the electric charge in the same place (trap) as compared with However, Al 2 O 3 Has a high barrier height and the difference from the oxide film is as small as about 0.5 to 0.8 eV. Therefore, there is no problem if electrons can be held in the same trap. However, when the charge is separated from the trap, the electrons easily leak from the upper and lower oxide films. In contrast, HfO 2 And Ln 2 O 3 Has a low barrier height and a large difference from an oxide film of 2 to 2.5 eV, so that even if charges escape from one trap, charges rarely leak due to the high barrier of the upper and lower oxide films.
[0025]
There are two types of MONOS type memories: a method of trapping charges in the entire insulating film and a method of selectively trapping charges in a local portion in the insulating film. When the present invention is applied to a MONOS memory, 2 O 3 (Or an oxide containing Al as a main component) is preferably used for a local trapping method. 2 And Ln 2 O 3 (Or, an oxide containing Hf or Ln as a main component) is preferably used in a method in which it is trapped in the entire insulating film.
[0026]
When the tunnel insulating film is formed of a material having a lower barrier height than a conventionally used silicon oxide film, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved, and the data read / write time is reduced. Therefore, it is preferable that the tunnel insulating film be formed of a material having a lower barrier height than the silicon oxide film. Materials having a lower barrier height than the silicon oxide film include, for example, SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 , TaN, HfAlO and ZrAlO. Also, SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 , TaN, HfAlO and ZrAlO, the tunnel insulating film may be formed of a silicate or aluminate of any one compound.
[0027]
If the top insulating film is formed of a material having a higher dielectric constant than the conventionally used silicon oxide film, the electric field from the gate electrode can effectively act on the tunnel insulating film, and as a result, the driving voltage can be increased. The data write / erase time can be shortened without performing. Therefore, it is preferable that the top insulating film be formed of a material having a higher dielectric constant than the silicon oxide film. The relative permittivity of the silicon oxide film is usually 4 or less, and materials having a higher relative permittivity include, for example, SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 , TaN, HfAlO and ZrAlO. Also, SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 , TaN, HfAlO and ZrAlO, the top insulating film may be formed of a silicate or aluminate of one of the compounds.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0029]
(Nonvolatile semiconductor memory)
2 is a plan view of a nonvolatile semiconductor memory to which the present invention is applied, FIG. 3A is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 2, FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. FIG. 3C is a sectional view taken along line III-III in FIG.
[0030]
On the surface of p-type
[0031]
Below the local insulating
[0032]
The
[0033]
A
[0034]
FIG. 4 is a block diagram showing an example of a circuit configuration of the nonvolatile semiconductor memory of the present invention. The source and the drain of the
[0035]
A plurality of
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
Hereinafter, the operation of the above-described nonvolatile semiconductor memory will be described. The operation described below is executed by the
[0040]
(Data write operation)
At the time of data writing, a write voltage Vdp (for example, 6 V) is applied to the
[0041]
When the above-described data write operation is performed, hot electrons are generated near the drain in the selected memory cell. Hot electrons are trapped in the
[0042]
(Data erase operation)
The data erase operation is performed on all the memory cells of the selected block at once. At the time of data erasing, the voltage Vwe (for example, −6 V) is applied to all of the word lines 24 of the selected block, and the voltage Vbe (for example, 6 V) is applied to all of the bit lines 21. As a result, the electrons trapped in the
[0043]
(Data read operation)
When reading data, a voltage Vwr (for example, 4 V) is applied to the
[0044]
However, at the time of reading, the impurity diffusion layer used as the source at the time of data writing is used as the drain, and the impurity diffusion layer used as the drain at the time of data writing is used as the source. This is because electrons are trapped in the vicinity of the impurity diffusion region used as the drain during data writing, and the threshold value can be shifted more by inverting the drain and source during reading. is there.
[0045]
(First Embodiment)
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention.
[0046]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment has a laminated
[0047]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0048]
The
[0049]
The
[0050]
The
[0051]
The
[0052]
In this embodiment mode, an alumina film having higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as the trap insulating film. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0053]
After the
It is expected that the quality of each film will be increased by this annealing treatment, and that good electrical characteristics will be obtained. Annealing may be performed each time one of these
[0054]
Also, an AlHfO film may be formed instead of the
[0055]
Hereinafter, a result of actually manufacturing the nonvolatile semiconductor memory of the present embodiment and examining its characteristics will be described.
[0056]
As shown in FIG. 25A, on a p-type
[0057]
Data was written to the nonvolatile semiconductor memory manufactured as described above with the drain voltage Vd set to 5 V and the gate voltage Vg set to 9 V, 10 V, and 12 V.
[0058]
FIG. 25B shows the relationship between the write time and the threshold voltage when the gate voltage Vg is 9 V, 10 V, and 12 V (write characteristics), with the horizontal axis representing the write time and the vertical axis representing the threshold voltage Vth. FIG. However, the drain voltage Vd is set to 1.2 V when reading data. From FIG. 25B, it is clear that data is normally written in the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment, and it is understood that electric charges are held in the trap insulating film (
[0059]
FIG. 26A shows the time change of the threshold voltage Vth when electric charge is injected only into the
[0060]
From FIGS. 26A and 26B, it can be seen that in the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment, individual data can be recorded on the Bit1 side and the Bit2 side, respectively.
[0061]
FIG. 27 is a diagram showing erase characteristics when the gate voltage is -7 V and the drain voltage is 6 V, with the erase time taken on the horizontal axis and the threshold voltage Vth taken on the vertical axis. From this figure, it can be seen that the written data is completely erased in about 0.3 seconds.
[0062]
From these results, it was confirmed that the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment had good data writing, holding, and erasing characteristics. Further, the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment can store different data on the
[0063]
(Second embodiment)
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention.
[0064]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked
[0065]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0066]
The
[0067]
The
For example, Al (CH 3 ) 3 And Hf (C 2 H 5 ) 3 The source solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a source gas, and the source gas and the ozone gas are alternately supplied onto the
[0068]
The
For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is 133 Pa, the substrate temperature is 800 ° C., and the SiH 4 And N 2 By reacting with O, a high-temperature oxide (HTO) film is formed to a thickness of 10 nm. The
[0069]
After the
[0070]
Since the method of forming the
[0071]
In the present embodiment, an AlHfO film having higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as a trap insulating film. As a result, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0072]
In the present invention, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0073]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a third embodiment of the present invention.
[0074]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked
[0075]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0076]
The
[0077]
The
For example, Al (CH 3 ) 3 And Hf (C 2 H 5 ) 3 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied on a substrate having a temperature of 300 ° C. to form the
[0078]
The
[0079]
After the
[0080]
Since the method of forming the
[0081]
In the present embodiment, the reliability of data is improved as compared with the conventional SONOS type memory because the trap insulating film is made of the AlHfO film having higher charge holding ability than the silicon nitride film.
[0082]
Further, in the present embodiment, since the silicon nitride film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film is used as the top insulating film, the electric field from the gate electrode can effectively act on the tunnel insulating film, As a result, the data write / erase time can be reduced without increasing the drive voltage.
[0083]
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of the stacked gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the fourth embodiment of the present invention.
[0084]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked
[0085]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0086]
The
[0087]
The
For example, Al (CH 3 ) 3 And Hf (C 2 H 5 ) 3 Is used to vaporize the raw material solution by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. to form the
[0088]
HfO as the top insulating film 2 The
[0089]
Note that the
[0090]
Since the method for forming the gate electrode is the same as that of the first embodiment, the description is omitted here.
[0091]
In the present embodiment, since the trap insulating film is formed of an AlHfO film having higher charge holding ability than the silicon nitride film, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0092]
In this embodiment, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0093]
Further, in the present embodiment, HfO having a higher dielectric constant than the silicon oxide film is used as the top insulating film. 2 Since the film is used, the electric field from the gate electrode can effectively act on the tunnel insulating film, and as a result, the data write / erase time can be reduced without increasing the driving voltage.
[0094]
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the fifth embodiment of the present invention.
[0095]
In the present embodiment, the
[0096]
As described above, even when any one or more of the
[0097]
(Sixth embodiment)
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the sixth embodiment of the present invention.
[0098]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory of the present embodiment has a gate electrode made of polysilicon formed on a stacked
[0099]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0100]
The
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0101]
HfO as a trap insulating film 2 The
[0102]
The
[0103]
The
[0104]
Since the method for forming the
[0105]
In this embodiment, as the trap insulating film, HfO having higher charge holding ability than the silicon nitride film is used. 2 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0106]
Hereinafter, a result of actually manufacturing the nonvolatile semiconductor memory of the present embodiment and examining its characteristics will be described.
[0107]
As shown in FIG. 28A, a
[0108]
Data was written to the nonvolatile semiconductor memory manufactured as described above with the drain voltage Vd set to 5.5 V and the gate voltage Vg set to 11 V.
[0109]
FIG. 28B is a diagram showing the relationship (writing characteristics) between the writing time and the threshold voltage, with the writing time on the horizontal axis and the threshold voltage Vth on the vertical axis. However, the drain voltage Vd is set to 1.2 V when reading data. From FIG. 28B, it is clear that data is normally written in the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment, and the trap insulating film (HfO 2 It can be seen that charges are held in the
[0110]
FIG. 29 shows the time change of the threshold voltage Vth when the charge is injected only to the
[0111]
From FIG. 29, it has been confirmed that the nonvolatile memory of the present embodiment reliably holds the written data.
[0112]
FIG. 30 is a diagram showing the erase characteristics when the gate voltage is -7 V and the drain voltage is 5 V, with the erase time taken along the horizontal axis and the threshold voltage Vth taken along the vertical axis. From this figure, it can be seen that the written data can be erased.
[0113]
From these results, it was confirmed that the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment had good data writing, holding, and erasing characteristics. Further, the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment can store different data on the
[0114]
(Seventh embodiment)
FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the seventh embodiment of the present invention.
[0115]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked
[0116]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0117]
The silicon oxide film 111a serving as a tunnel insulating film is formed by a thermal oxidation method.
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0118]
The HfAlO film 111b serving as a trap insulating film is formed by an ALCVD method. For example, Al (CH 3 ) 3 And Hf (C 2 H 5 ) 3 The HfAlO film 111b is formed to a thickness of 10 nm by alternately supplying a source gas and an ozone gas onto a substrate heated to 300 ° C. by vaporizing the source solution by nitrogen bubbling to obtain a source gas. The HfAlO film 111b may be formed by MOCVD or PVD. Further, the HfAlO film 111b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0119]
The
[0120]
After the silicon oxide film 111a, the HfAlO film 111b, and the
[0121]
The method for forming the
[0122]
In this embodiment mode, an HfAlO film having higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as the trap insulating film. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0123]
(Eighth embodiment)
FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the stacked gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the eighth embodiment of the present invention.
[0124]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked gate insulating film 121 formed on a p-type
[0125]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0126]
The silicon nitride film 121a serving as a tunnel insulating film is formed by an LPCVD method. For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is set to 25 Pa, the substrate temperature is set to 780 ° C., and the silicon nitride film 121 a is formed to a thickness of 10 nm on the
[0127]
HfO as a trap insulating film 2 The film 121b is formed by an ALCVD method.
For example, Al (CH 3 ) 3 And Hf (C 2 H 5 ) 3 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto a substrate heated to 300 ° C. 2 The film 121b is formed to a thickness of 10 nm. HfO 2 The film 121b may be formed by a MOCVD method or a PVD method. In addition, HfO 2 The film 121b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0128]
The
[0129]
Note that the silicon nitride film 121a, HfO 2 After forming the film 121b and the
[0130]
Since the method for forming the
[0131]
In this embodiment, HfO having a higher charge holding capacity than a silicon nitride film is used as a trap insulating film. 2 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0132]
In the present invention, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0133]
(Ninth embodiment)
FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the ninth embodiment of the present invention.
[0134]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked gate insulating film 131 formed on the p-type
[0135]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0136]
The
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0137]
HfO as a trap insulating film 2 The film 131b is formed by an ALCVD method.
For example, Hf (C 2 H 5 ) 3 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto a substrate heated to 300 ° C. 2 The film 131b is formed to a thickness of 10 nm. HfO 2 The film 131b may be formed by a MOCVD method or a PVD method. In addition, HfO 2 The film 131b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0138]
The
For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is 25 Pa, the substrate temperature is 780 ° C., and the
[0139]
Note that the
[0140]
Since the method of forming the
[0141]
In this embodiment, HfO having a higher charge holding capacity than a silicon nitride film is used as a trap insulating film. 2 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0142]
Further, in the present invention, since the silicon nitride film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film is used as the top insulating film, the electric field from the gate electrode can effectively act on the tunnel insulating film. In addition, the data write / erase time can be reduced without increasing the drive voltage.
[0143]
(Tenth embodiment)
FIG. 14 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the tenth embodiment of the present invention.
[0144]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked
[0145]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0146]
The
[0147]
The
[0148]
HfO as the top insulating film 2 The
[0149]
Since the method for forming the
[0150]
Note that the
[0151]
In the present embodiment, an HfAlO film having higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as a trap insulating film. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0152]
In the present invention, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0153]
Further, in the present invention, HfO having a higher dielectric constant than a silicon oxide film is used as a top insulating film. 2 Since the film is used, the electric field from the gate electrode can be effectively applied to the tunnel insulating film, and as a result, the data write / erase time can be reduced without increasing the drive voltage.
[0154]
In the sixth to tenth embodiments, as shown in FIG. 9, at least one of the tunnel insulating film, the trap insulating film, and the top insulating film may have a multilayer structure.
[0155]
(Eleventh embodiment)
FIG. 15 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the eleventh embodiment of the present invention.
[0156]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked gate insulating film 151 formed on p-type
[0157]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0158]
The silicon oxide film 151a serving as a tunnel insulating film is formed by a thermal oxidation method.
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0159]
ZrO as a trap insulating film 2 The film 151b is formed by an ALCVD method.
For example, Zr (C 2 H 5 ) 4 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. 2 The film 151b is formed to a thickness of 10 nm. ZrO 2 The film 151b may be formed by MOCVD or PVD. Also, ZrO 2 The film 151b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0160]
The
[0161]
Note that the silicon oxide film 151a, ZrO 2 After forming the film 151b and the
[0162]
Since the method for forming the
[0163]
In this embodiment, as the trap insulating film, ZrO having higher charge holding ability than the silicon nitride film is used. 2 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0164]
(Twelfth embodiment)
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a twelfth embodiment of the present invention.
[0165]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked
[0166]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0167]
The
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
After that, the silicon nitride film is removed. The
[0168]
The
[0169]
The
[0170]
After the
[0171]
Since the method for forming the
[0172]
In this embodiment, a ZrAlO film having a higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as the trap insulating film. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0173]
(Thirteenth embodiment)
FIG. 17 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the thirteenth embodiment of the present invention.
[0174]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked gate insulating film 171 formed on the p-type
[0175]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0176]
The silicon nitride film 171a serving as a tunnel insulating film is formed by an LPCVD method. For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is set to 25 Pa, the substrate temperature is set to 780 ° C., and the silicon nitride film 171 a is formed to a thickness of 10 nm on the
[0177]
ZrO as a trap insulating film 2 The film 171b is formed by an ALCVD method.
For example, Zr (C 2 H 5 ) 4 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. 2 The film 171b is formed to a thickness of 10 nm. ZrO 2 The film 171b may be formed by a MOCVD method or a PVD method. Also, ZrO 2 The film 171b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0178]
The
[0179]
Note that the silicon nitride film 171a, ZrO 2 After forming the film 171b and the
[0180]
Since the method for forming the
[0181]
In the present embodiment, as the trap insulating film, ZrO having higher charge holding ability than the silicon nitride film is used. 2 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0182]
In the present invention, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0183]
(14th embodiment)
FIG. 18 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a fourteenth embodiment of the present invention.
[0184]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked gate insulating film 181 formed on the p-type
[0185]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0186]
The silicon oxide film 181a serving as a tunnel insulating film is formed by a thermal oxidation method.
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0187]
ZrO as a trap insulating film 2 The film 181b is formed by an ALCVD method.
For example, Zr (C 2 H 5 ) 4 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. 2 The film 181b is formed to a thickness of 10 nm. ZrO 2 The film 181b may be formed by a MOCVD method or a PVD method. Also, ZrO 2 The film 181b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0188]
The
For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is set to 25 Pa, the substrate temperature is set to 780 ° C., and the
[0189]
Note that the silicon oxide film 181a, ZrO 2 After forming the film 181b and the
[0190]
The method of forming the
[0191]
In the present embodiment, as the trap insulating film, ZrO having higher charge holding ability than the silicon nitride film is used. 2 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0192]
Further, in the present invention, since the silicon nitride film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film is used as the top insulating film, the electric field from the gate electrode can effectively act on the tunnel insulating film. In addition, the data write / erase time can be reduced without increasing the drive voltage.
[0193]
(Fifteenth embodiment)
FIG. 19 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the fifteenth embodiment of the present invention.
[0194]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked gate insulating film 191 formed on the p-type
[0195]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0196]
The silicon nitride film 191a serving as a tunnel insulating film is formed by an LPCVD method. For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is set to 25 Pa, the substrate temperature is set to 780 ° C., and a silicon nitride film 191 a is formed to a thickness of 10 nm on the
[0197]
The ZrAlO film 191b serving as a trap insulating film is formed by an ALCVD method. For example, Al (CH 3 ) 3 And Zr (C 2 H 5 ) 4 Then, the raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. to form the ZrAlO film 191b to a thickness of 10 nm. The ZrAlO film 191b may be formed by MOCVD or PVD. Further, the ZrAlO film 191b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0198]
HfO as the top insulating film 2 The
[0199]
Since the method for forming the
[0200]
Note that the silicon nitride film 191a, the ZrAlO film 191b, and the HfO 2 After forming the
[0201]
In the present embodiment, a ZrAlO film having higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as a trap insulating film. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0202]
In the present invention, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0203]
Further, in the present invention, HfO having a higher dielectric constant than a silicon oxide film is used as a top insulating film. 2 Since the film is used, the electric field from the gate electrode can be effectively applied to the tunnel insulating film, and as a result, the data write / erase time can be reduced without increasing the drive voltage.
[0204]
In the first to fifteenth embodiments, as shown in FIG. 9, at least one of the tunnel insulating film, the trap insulating film, and the top insulating film may have a multilayer structure.
[0205]
(Sixteenth embodiment)
FIG. 20 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the sixteenth embodiment of the present invention.
[0206]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment includes a stacked
[0207]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0208]
The
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0209]
La which is a trap insulating film 2 O 3 The
[0210]
The
[0211]
The
[0212]
Since the method for forming the
[0213]
In this embodiment, as the trap insulating film, La having higher charge holding ability than the silicon nitride film is used. 2 O 3 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0214]
(Seventeenth embodiment)
FIG. 21 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the seventeenth embodiment of the present invention.
[0215]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment includes a stacked gate insulating film 211 formed on the p-type
[0216]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0217]
The
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0218]
The LaAlO film 211b serving as a trap insulating film is formed by an ALCVD method. For example, Al (CH 3 ) 3 And La (C 2 H 5 ) 3 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied on the substrate heated to 300 ° C. to form the LaAlO film 211b to a thickness of 10 nm. The LaAlO film 211b may be formed by MOCVD or PVD. Further, the LaAlO film 211b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0219]
The silicon oxide film 211c as a top insulating film is formed by an LPCVD method. For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is 133 Pa, the substrate temperature is 800 ° C., and the SiH 4 And N 2 By reacting with O, a silicon oxide film (HTO) is formed to a thickness of 10 nm. The silicon oxide film 211c may be formed by a CVD method using a TEOS source, an MOCVD method, or a plasma CVD method. Further, the silicon oxide film 211c may be formed to a thickness of 3 to 20 nm.
[0220]
After the
[0221]
Since the method for forming the
[0222]
In this embodiment, a LaAlO film having a higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as the trap insulating film. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0223]
(Eighteenth Embodiment)
FIG. 22 is a schematic diagram showing the configuration of the stacked gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the eighteenth embodiment of the present invention.
[0224]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked
[0225]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0226]
The
[0227]
La which is a trap insulating film 2 O 3 The film 221b is formed by an ALCVD method. For example, La (C 2 H 5 ) 4 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. 2 O 3 The film 221b is formed to a thickness of 10 nm. La 2 O 3 The film 221b may be formed by MOCVD or PVD.
Also, La 2 O 3 The film 221b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0228]
The silicon oxide film 221c as the top insulating film is formed by an LPCVD method. For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is 133 Pa, the substrate temperature is 800 ° C., and the SiH 4 And N 2 By reacting with O, a silicon oxide film (HTO) is formed to a thickness of 10 nm. The silicon oxide film 221c may be formed by a CVD method using a TEOS source, an MOCVD method, or a plasma CVD method. Further, the silicon oxide film 221c may be formed to a thickness of 3 to 20 nm.
[0229]
Note that the
[0230]
Since the method for forming the
[0231]
In the present embodiment, as the trap insulating film, La having higher charge holding ability than the silicon nitride film is used. 2 O 3 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0232]
In the present invention, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0233]
(Nineteenth Embodiment)
FIG. 23 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the nineteenth embodiment of the present invention.
[0234]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment includes a stacked gate insulating film 231 formed on the p-type
[0235]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0236]
The silicon oxide film 231a serving as a tunnel insulating film is formed by a thermal oxidation method.
For example, after a mask of a silicon nitride film is formed on the surface of the
[0237]
La which is a trap insulating film 2 O 3 The film 231b is formed by an ALCVD method. For example, La (C 2 H 5 ) 3 The raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. 2 O 3 The film 231b is formed to a thickness of 10 nm. La 2 O 3 The film 231b may be formed by a MOCVD method or a PVD method.
Also, La 2 O 3 The film 231b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0238]
The
For example, the pressure in the chamber of the LPCVD apparatus is set to 25 Pa, the substrate temperature is set to 780 ° C., and the
[0239]
Note that the silicon oxide film 231a, La 2 O 3 After forming the film 231b and the
[0240]
Since the method for forming the
[0241]
In the present embodiment, as the trap insulating film, La having higher charge holding ability than the silicon nitride film is used. 2 O 3 Uses a membrane. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0242]
Further, in the present invention, since the silicon nitride film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film is used as the top insulating film, the electric field from the gate electrode can effectively act on the tunnel insulating film. In addition, the data write / erase time can be reduced without increasing the drive voltage.
[0243]
(Twentieth embodiment)
FIG. 24 is a schematic diagram showing the configuration of the laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the twentieth embodiment of the present invention.
[0244]
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a stacked gate insulating film 241 formed on the p-type
[0245]
Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described.
[0246]
The
[0247]
The LaAlO film 241b serving as a trap insulating film is formed by an ALCVD method. For example, Al (CH 3 ) 3 And La (C 2 H 5 ) 3 Then, the raw material solution is vaporized by nitrogen bubbling to obtain a raw material gas, and the raw material gas and the ozone gas are alternately supplied onto the substrate heated to 300 ° C. to form the LaAlO film 241b to a thickness of 10 nm. The LaAlO film 241b may be formed by MOCVD or PVD. Further, the LaAlO film 241b may be formed to a thickness of 1 to 40 nm.
[0248]
HfO as the top insulating film 2 The
[0249]
Since the method for forming the
[0250]
Note that the
[0251]
In the present embodiment, a LaAlO film having higher charge holding ability than a silicon nitride film is used as a trap insulating film. Thereby, data reliability is improved as compared with the conventional SONOS type memory.
[0252]
In the present invention, a silicon nitride film having a lower barrier height than a silicon oxide film is used as the tunnel insulating film. As a result, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved as compared with the conventional SONOS memory, and the data write / erase time can be reduced.
[0253]
Further, in the present invention, HfO having a higher dielectric constant than a silicon oxide film is used as a top insulating film. 2 Since the film is used, the electric field from the gate electrode can be effectively applied to the tunnel insulating film, and as a result, the data write / erase time can be reduced without increasing the drive voltage.
[0254]
In the sixteenth to twentieth embodiments, at least one of the tunnel insulating film, the trap insulating film, and the top insulating film may have a multilayer structure as shown in FIG.
[0255]
In the sixteenth to twentieth embodiments, the case where the lanthanoid (Ln) is La (lanthanum) is described, but the same effect can be obtained by using other lanthanoid elements.
[0256]
Further, in each of the first to twentieth embodiments, the case where the present invention is applied to an NROM in which a word line and a source / drain are formed in a direction orthogonal to each other has been described. The structure can be applied to a single-gate nonvolatile semiconductor memory having the structure described above, and can be applied to, for example, a single-gate nonvolatile semiconductor memory having a structure as shown in FIG.
[0257]
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate, a pair of impurity diffusion regions formed in the semiconductor substrate, a tunnel insulating film formed on a region between the pair of impurity diffusion regions, 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 And Ln 2 O 3 (Where Ln is a lanthanoid element) a trap insulating film formed on the tunnel insulating film by at least one oxide selected from the group consisting of: a top insulating film formed on the trap insulating film; And a gate electrode formed on the top insulating film.
[0258]
(Supplementary Note 2) A semiconductor substrate, a pair of impurity diffusion regions formed in the semiconductor substrate, a tunnel insulating film formed on a region between the pair of impurity diffusion regions, Al, Hf, Zr, and Ln ( However, Ln is a trap insulating film formed on the tunnel insulating film by an oxide mainly containing one element selected from the group consisting of lanthanoid elements, and formed on the trap insulating film. A nonvolatile semiconductor memory, comprising: a top insulating film; and a gate electrode formed on the top insulating film.
[0259]
(Supplementary note 3) The nonvolatile semiconductor memory according to
[0260]
(Supplementary Note 4) The nonvolatile semiconductor memory according to
[0261]
(Supplementary Note 5) The nonvolatile semiconductor device according to
[0262]
(Supplementary Note 6) The trap insulating film is made of Al 2 O 3 3. The nonvolatile semiconductor memory according to
[0263]
(Supplementary Note 7) The tunnel insulating film is made of SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 3. The nonvolatile semiconductor memory according to
[0264]
(Supplementary Note 8) The tunnel insulating film is made of SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 3. The nonvolatile semiconductor memory according to
[0265]
(Supplementary Note 9) The top insulating film is made of SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 3. The nonvolatile semiconductor memory according to
[0266]
(Supplementary Note 10) The top insulating film is made of SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , SrTiO 2 , BaSrTiO 3 , TiO 2 , AlN, Ta 2 O 5 3. The nonvolatile semiconductor memory according to
[0267]
(Supplementary Note 11) The nonvolatile semiconductor memory according to
[0268]
(Supplementary Note 12) The nonvolatile semiconductor memory according to
[0269]
(Supplementary Note 13) The nonvolatile semiconductor memory according to
[0270]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the trap insulating film is made of Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 And Ln 2 O 3 Of a single-gate nonvolatile semiconductor memory because it is formed of any one of the above oxides or an oxide containing any one of Al, Hf, Zr and Ln as a main component. Data retention ability is improved.
[0271]
Further, by forming the tunnel insulating film from a material having a lower barrier height than the silicon oxide film, the efficiency of hot electron injection into the trap insulating film is improved, and the data read / write time is shortened.
[0272]
Furthermore, when the top insulating film is formed of a material having a higher relative dielectric constant than the silicon oxide film, the electric field from the gate electrode can effectively act on the tunnel insulating film, and as a result, without increasing the driving voltage Data write / erase time can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a memory cell structure of a conventional SONOS type memory.
FIG. 2 is a plan view of a nonvolatile semiconductor memory to which the present invention is applied;
3 (a) is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 2, FIG. 3 (b) is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 2, and FIG. 3 (c) is a line III-III of FIG. It is sectional drawing by a line.
FIG. 4 is a block diagram showing an example of a circuit configuration of a nonvolatile semiconductor memory of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic view showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a fifteenth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a sixteenth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a seventeenth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a schematic diagram showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to an eighteenth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a schematic view showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a nineteenth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a schematic view showing a configuration of a laminated gate insulating film of a nonvolatile semiconductor memory according to a twentieth embodiment of the present invention.
FIG. 25A is a schematic diagram illustrating a nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment, and FIG. 25B is a diagram illustrating write characteristics of the nonvolatile semiconductor memory.
FIG. 26A is a diagram showing a result of examining data retention characteristics when charges are injected only into the Bit1 side of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment, and FIG. 26B is the same. FIG. 9 is a diagram showing a result of examining data retention characteristics when charges are injected into both the Bit1 side and the Bit2 side.
FIG. 27 is a diagram illustrating erase characteristics of the nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment;
FIG. 28A is a schematic diagram illustrating a nonvolatile semiconductor memory according to a sixth embodiment, and FIG. 28B is a diagram illustrating write characteristics of the nonvolatile semiconductor memory.
FIG. 29 is a diagram illustrating a result of examining a data retention characteristic when electric charge is injected only into
FIG. 30 is a diagram illustrating erasing characteristics of the nonvolatile semiconductor memory according to the sixth embodiment;
[Explanation of symbols]
10, 20 ... semiconductor substrate,
11 ... impurity diffusion region,
12, 23, 4, 51, 61, 71 ... gate insulating film,
12a, 12c, 41a, 41c, 51c, 61a, 81a, 101a, 101c, 111a, 111c, 121c, 131a, 151a, 151c, 161a, 161b, 171c, 181a, 201a, 201c, 211a, 211c, 221c, 231a ... Silicon oxide film,
12b, 51a, 61c, 71a, 82a, 121a, 131c, 141a, 171a, 181c, 191a, 221a, 231c, 241a ... silicon nitride film,
13, 42, 52, 62, 72 ... gate electrode,
21 ... bit line,
22 ... Local insulating film,
23a, 81: tunnel insulating film,
23b, 82: trap insulating film,
23c, 83 ... top insulating film,
24 ... word line,
25 ... memory cell,
30 ... control circuit,
31 Sense amplifier section
32 Word line driver
33 ... CPU,
41b, 82b, 83b ... alumina film,
51b, 61b, 71b ... AlHfO film,
81b ... La 2 O 5 film,
111b, 141b, 241c ... HfAlO film,
152b, 171b, 181b ... ZrO 2 film,
161b, 191b ... ZrAlO film,
201b, 221b, 231b ... La 2 O 3 film,
211b, 241b ... LaAlO film.
Claims (7)
前記半導体基板に形成された一対の不純物拡散領域と、
前記一対の不純物拡散領域の間の領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、
Al2 O3 、HfO2 、ZrO2 及びLn2 O3 (但し、Lnはランタノイド元素)からなる群から選択された少なくとも1種の酸化物により前記トンネル絶縁膜上に形成されたトラップ絶縁膜と、
前記トラップ絶縁膜の上に形成されたトップ絶縁膜と、
前記トップ絶縁膜上に形成されたゲート電極と
を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。A semiconductor substrate;
A pair of impurity diffusion regions formed in the semiconductor substrate,
A tunnel insulating film formed on a region between the pair of impurity diffusion regions,
A trap insulating film formed on the tunnel insulating film by at least one oxide selected from the group consisting of Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2, and Ln 2 O 3 (where Ln is a lanthanoid element) ,
A top insulating film formed on the trap insulating film,
And a gate electrode formed on the top insulating film.
前記半導体基板に形成された一対の不純物拡散領域と、
前記一対の不純物拡散領域の間の領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、
Al、Hf、Zr及びLn(但し、Lnはランタノイド元素)からなる群から選択された1種の元素を主成分とする酸化物により前記トンネル絶縁膜上に形成されたトラップ絶縁膜と、
前記トラップ絶縁膜の上に形成されたトップ絶縁膜と、
前記トップ絶縁膜上に形成されたゲート電極と
を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。A semiconductor substrate;
A pair of impurity diffusion regions formed in the semiconductor substrate,
A tunnel insulating film formed on a region between the pair of impurity diffusion regions,
A trap insulating film formed on the tunnel insulating film by an oxide mainly containing one element selected from the group consisting of Al, Hf, Zr, and Ln (where Ln is a lanthanoid element);
A top insulating film formed on the trap insulating film,
And a gate electrode formed on the top insulating film.
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