JP2005328029A - Nonvolatile semiconductor storage element and method for manufacturing the same - Google Patents
Nonvolatile semiconductor storage element and method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005328029A JP2005328029A JP2005030859A JP2005030859A JP2005328029A JP 2005328029 A JP2005328029 A JP 2005328029A JP 2005030859 A JP2005030859 A JP 2005030859A JP 2005030859 A JP2005030859 A JP 2005030859A JP 2005328029 A JP2005328029 A JP 2005328029A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- charge retention
- insulating layer
- ultrafine particles
- semiconductor memory
- nonvolatile semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶素子およびその製造方法に関し、詳しくは、浮遊ゲートとして機能する超微粒子と母相絶縁体とによって構成される電荷保持層を有する不揮発性半導体記憶素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory element and a method for manufacturing the same, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory element having a charge retention layer composed of ultrafine particles functioning as a floating gate and a matrix insulator and a method for manufacturing the same. .
従来、データを書き換え可能に記憶する大容量の記憶素子または記録媒体として、DRAM、SRAM等の半導体記憶素子、または、ハードディスク、光磁気ディスク、光ディスク等の回転ディスク型記録媒体があり、これらを用いたシステムが開発され、使用されてきた。このうち、データの書き込み、読み出し速度が速く高集積化が容易などの特徴を有するDRAMは、パソコンなどの一時記憶素子として広く用いられてきた。しかし、DRAMは、揮発性(外部からの電源供給が停止されたとき、保持していた記録が消滅することをいう。)メモリであるため、記録の保持のためには外部からの電力供給が必要である。そのため、消費電力を抑えることが必要な携帯端末機器等の機器では、消費電力の増大を招くことから、通常、DRAMは用いられなかった。 Conventionally, as a large-capacity storage element or recording medium for storing data in a rewritable manner, there are semiconductor storage elements such as DRAM and SRAM, or rotating disk type recording media such as a hard disk, a magneto-optical disk, and an optical disk. Systems have been developed and used. Among these, DRAMs having characteristics such as high data writing and reading speed and easy high integration have been widely used as temporary storage elements such as personal computers. However, since the DRAM is a volatile memory (which means that the stored record disappears when the external power supply is stopped), an external power supply is required to maintain the record. is necessary. For this reason, DRAMs are not normally used in devices such as portable terminal devices that require a reduction in power consumption, because this leads to an increase in power consumption.
一方、ハードディスクシステム等に関しては、データの揮発性はないが、上記の記憶素子に比して、書き込みおよび読み出し速度が遅く、消費電力が比較的大きいという欠点がある。また機器構造上、機械的振動や衝撃に弱いという欠点がある。そのため、回転ディスク型記録媒体は、通常、携帯端末機器には多くは利用されない。 On the other hand, the hard disk system or the like has no data volatility, but has the disadvantages that the writing and reading speed is slower and the power consumption is relatively higher than that of the above storage element. Moreover, there exists a fault that it is weak to a mechanical vibration and an impact on an apparatus structure. For this reason, a rotating disk type recording medium is usually not used in many portable terminal devices.
近年の携帯端末機器市場の広がりに伴い、携帯端末機器に用いる記憶素子として、不揮発性を有し、記憶容量が大きく、高速書き込みおよび高速読み出しが可能で、利用の際の機械的振動に対しても動作が安定し、消費電力が低い、等の性能を備えたものが求められている。また、従来の半導体製造技術を用いて簡易に作成できるということも、求められる。 Along with the recent expansion of the mobile terminal equipment market, the storage element used in mobile terminal equipment is non-volatile, has a large storage capacity, can be written and read at high speed, and is free from mechanical vibration during use. However, there is a demand for a device having stable performance and low power consumption. In addition, it is also required that it can be easily created using conventional semiconductor manufacturing technology.
ここで、上記の要求を満たす記憶素子として、フラッシュメモリ、強誘電体メモリ、MRAM(Magnetic Random Access Memory)、相変化メモリ等の不揮発性半導体記憶素子は、現時点で開発段階または一部実用段階にあるが、今後の利用が期待されている。 Here, as a memory element that satisfies the above requirements, nonvolatile semiconductor memory elements such as a flash memory, a ferroelectric memory, an MRAM (Magnetic Random Access Memory), and a phase change memory are currently in a development stage or a partial practical stage. However, future use is expected.
上記の不揮発性半導体記憶素子には、例えば、以下に述べるような一長一短がある。まず、MRAMは、書き込み速度が速いことや書き換え可能回数が多いなど優れた点が多く、DRAMの置き換えメモリとして最有力候補の一つと言われている。しかし、MRAMは、メモリセルがトランジスタとTMR(Tunnel Magneto Resistive)素子(トンネル磁気抵抗素子)とによって構成されているため、構造が比較的複雑であること、素子の微細化が困難であること、それゆえ簡易に作成できないこと、作成プロセス上の技術的課題が多い強磁性材料を導入しなければならないこと等の問題がある。そして、何よりも、特性ばらつきの小さいTMR素子の製造技術の確立が困難という問題がある。 The nonvolatile semiconductor memory element has advantages and disadvantages as described below, for example. First, MRAM has many advantages such as high writing speed and a large number of rewritable times, and is said to be one of the most promising candidates as a replacement memory for DRAM. However, since the memory cell of the MRAM is composed of a transistor and a TMR (Tunnel Magneto Resistive) element (tunnel magnetoresistive element), the structure is relatively complicated, and it is difficult to miniaturize the element. Therefore, there are problems such as the fact that it cannot be easily produced and that it is necessary to introduce a ferromagnetic material with many technical problems in the production process. Above all, there is a problem that it is difficult to establish a manufacturing technique of a TMR element with small variation in characteristics.
一方、フラッシュメモリのメモリセルは基本的にトランジスタ1つで構成された単純な構成を有するため、セルサイズを小さくでき、また、従来のDRAMプロセス技術を用いて微細化できるため、大きな記憶容量を有するフラッシュメモリを簡易に製造できる。このような理由から、フラッシュメモリは、既に、携帯端末機器用の記憶素子として大きな市場を形成している。近年、半導体素子の高速化、微細化が推進されているが、この流れに沿ってフラッシュメモリにおいても素子の微細化、高速化、電荷保持能力の向上など、高性能化のための研究が盛んに行40 超微粒子浮遊ゲート型不揮発性半導体記憶素子われている。
On the other hand, a memory cell of a flash memory basically has a simple configuration composed of a single transistor, so that the cell size can be reduced and miniaturized using conventional DRAM process technology. It is possible to easily manufacture a flash memory having the same. For these reasons, flash memory has already formed a large market as a storage element for portable terminal devices. In recent years, high-speed and miniaturization of semiconductor devices has been promoted, but along with this trend, research for high performance such as device miniaturization, high-speed, and improvement of charge retention capability is also active in flash memory.
現在、携帯端末機器用の記憶素子として用いられているフラッシュメモリのうち、NOR型フラッシュメモリを例にとり、以下に説明する。まず、NOR型フラッシュメモリからの読み出し時間に関してであるが、指定されたメモリセルからの保持データの読み出しは、100ns程度またはそれ以下の比較的短い時間で完了する。 Of the flash memories currently used as storage elements for portable terminal devices, a NOR type flash memory will be described as an example. First, regarding the read time from the NOR flash memory, the read of the retained data from the designated memory cell is completed in a relatively short time of about 100 ns or less.
一方、データの書き込みは、チャネルから浮遊ゲートへのチャネルホットエレクトロン(CHE)注入により行われるが、CHE注入の電荷注入効率(供給電流に対する注入電流の割合のことをいう。)が低いため、データの書き込みに要する時間は、データの読み出しに要する時間より長くなってしまう。また、データの消去は、浮遊ゲートからチャネル形成領域またはソースへの、ファウラ−ノルドハイム(Fowler−Nordheim、以下、FNという。)トンネル電流による電荷放出によって行われるが、FNトンネル電流による電荷放出に時間を要するため、データの消去に要する時間は、データの読み出しに要する時間より長くなる。 On the other hand, data is written by channel hot electron (CHE) injection from the channel to the floating gate, but the charge injection efficiency of CHE injection (which means the ratio of the injection current to the supply current) is low. The time required for writing data becomes longer than the time required for reading data. In addition, data is erased by charge discharge by a Fowler-Nordheim (hereinafter referred to as FN) tunnel current from the floating gate to the channel formation region or source, but it takes time to discharge the charge by the FN tunnel current. Therefore, the time required for erasing data is longer than the time required for reading data.
具体的には、書き込みには1μs台、消去にいたっては数百msから数s台の比較的長い時間が必要となる。このため、フラッシュメモリの大容量化・低コスト化が比較的容易であるにもかかわらずその用途が限定され、DRAMなど高速メモリへの置換えは難しい状況にある。このような問題を解決すべく、チャネル−浮遊ゲート間のトンネル絶縁層の物理的厚さを薄くして書き換え時間を律速している電荷放出または電荷注入に要する時間を低減しようとする試みがある。 Specifically, it takes a relatively long time of 1 μs for writing and several hundred ms to several s for erasing. For this reason, even though it is relatively easy to increase the capacity and cost of the flash memory, its application is limited, and replacement with a high-speed memory such as a DRAM is difficult. In order to solve such a problem, there is an attempt to reduce the time required for charge discharge or charge injection, which reduces the physical thickness of the tunnel insulating layer between the channel and the floating gate to control the rewrite time. .
しかし、このトンネル絶縁層を薄くすると、浮遊ゲートが帯電しているときにトンネル絶縁層の膜厚に反比例した非常に強い電界がトンネル絶縁層にかかるため、書き換え動作の繰返しによりトンネル絶縁層を電荷が何度も通過することによるストレスが発生し、トンネル絶縁層が絶縁破壊を起こしやすくなる。 However, if this tunnel insulating layer is made thin, a very strong electric field inversely proportional to the thickness of the tunnel insulating layer is applied to the tunnel insulating layer when the floating gate is charged. Stresses due to the passage of a large number of times, and the tunnel insulating layer is likely to break down.
トンネル絶縁層のどこか1ヶ所でも絶縁破壊が生じると、現状のフラッシュメモリはバルク浮遊ゲート型フラッシュメモリであるため、浮遊ゲートに保持されている電荷の大部分がリークし、以後そのメモリセルはデータ保持能力を失ってしまう。そのため、現状では電荷保持の信頼性を保つためにトンネル絶縁層の厚さを約10nmと厚くせざるを得ず、書き換え時間の短縮が困難な状況にある。また、トンネル絶縁層の膜厚と素子全体の寸法は相似的に縮小するという法則があるため、素子全体の微細化の妨げともなっている。 If breakdown occurs anywhere in the tunnel insulating layer, the current flash memory is a bulk floating gate type flash memory, so most of the charge held in the floating gate leaks. Data retention ability is lost. Therefore, at present, in order to maintain charge retention reliability, the thickness of the tunnel insulating layer has to be increased to about 10 nm, and it is difficult to shorten the rewriting time. In addition, since there is a law that the thickness of the tunnel insulating layer and the size of the entire device are reduced in a similar manner, it also hinders miniaturization of the entire device.
さらに、フラッシュメモリの高集積化に伴い、隣接する素子間の浮遊ゲートの間隔が縮まり、隣接浮遊ゲート間の容量結合が強まる。これにより指定アドレスの素子に隣接する素子の浮遊ゲートの電位が変化するなど、隣接浮遊ゲート間で相互に影響を及ぼしあい、読み出しおよび書き込み時に誤動作を起こしやすくなることが指摘されている。この隣接浮遊ゲート間の容量結合の影響は、特に高集積化の進行が著しいNAND型フラッシュメモリにおいて顕著である。 Furthermore, as the flash memory is highly integrated, the gap between the floating gates between adjacent elements is reduced, and the capacitive coupling between the adjacent floating gates is strengthened. It has been pointed out that this causes mutual floating gates to affect each other, such as a change in the potential of the floating gate of the element adjacent to the element at the specified address, and malfunctions are likely to occur during reading and writing. The influence of capacitive coupling between adjacent floating gates is particularly remarkable in a NAND flash memory in which the progress of high integration is remarkable.
上記の理由から、上記のバルク浮遊ゲート型フラッシュメモリ素子の微細化および高密度化を推し進めることは、今後、急激に困難を増し、早ければ2007年頃には微細化の限界に到達するとさえ言われている。 For the above reasons, it has been said that the advancement of miniaturization and higher density of the above-mentioned bulk floating gate type flash memory device will become increasingly difficult in the future and even reach the limit of miniaturization as early as around 2007. ing.
高速動作を実現すると共に、絶縁破壊による電荷保持能力の低下を防止し、隣接素子の浮遊ゲート間の寄生容量の影響を低減する技術として、浮遊ゲートを複数に分割し、従来の構造のゲートが保持していた電荷を空間的に離散させて保持させるという技術がある。
この技術を用いた不揮発性半導体メモリとしては、MONOS(Metal−Oxide−Nitride−Oxide−Semiconductor)メモリ、あるいはSONOS(MONOSメモリのゲート電極の材料を金属から半導体に置き換えたもの。電極材料としては、例えば、Poly−Siが用いられる。)がある。
As a technology that realizes high-speed operation, prevents a decrease in charge retention capability due to dielectric breakdown, and reduces the effect of parasitic capacitance between floating gates of adjacent elements, the floating gate is divided into multiple parts, and the gate with the conventional structure There is a technique in which held charges are spatially dispersed and held.
Non-volatile semiconductor memory using this technology is a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) memory, or a SONOS (MONOS memory in which the gate electrode material is replaced from a metal to a semiconductor. For example, Poly-Si is used.
図4は、MONOSメモリを構成するトランジスタの概念的な断面構造の一例を示す図である。図4に示すMONOSメモリ40を構成するトランジスタは、p型の半導体基板1と、酸化膜からなるトンネル絶縁層2と、トンネル絶縁層2上に積層された、浮遊ゲートの代わりのSiNx膜からなる電荷保持層3と、電荷保持層3上に積層された酸化膜からなる絶縁層4と、制御ゲート5と、ソース領域6と、ドレイン領域7とを備えた構成を有する。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a conceptual cross-sectional structure of a transistor constituting the MONOS memory. 4 includes a p-
MONOSメモリ40を構成するトランジスタは、電荷を保持する、少なくとも2種類の準位が存在する。そのうちの1つは、トンネル絶縁層2または絶縁層4とSiNx膜からなる電荷保持層3との界面に存在する界面準位43a1であり、もう1つは、SiNx膜からなる電荷保持層3中に離散的に分布するトラップ準位43a2である。MONOSメモリ40を構成するトランジスタは、これらの準位に電荷を分離させて保持するようになっている。
The transistor that constitutes the
このように、電荷を保持する界面準位43a1およびトラップ準位43a2が空間的に離散して分布するため、トンネル絶縁層2のいずれか1ヶ所で絶縁破壊が生じたとしても、その絶縁破壊による電荷リークは局所的にしか生じない。そのため、一部に局所的な絶縁破壊が生じたとしても、メモリセルの電荷保持能力をほぼ維持できる。上記の理由から、MONOSメモリは、現状のバルク浮遊ゲート型フラッシュメモリに比して書き換え回数の点で優れていると共に、トンネル絶縁層2の物理的厚さも比較的薄くできることからメモリセルを微細化できるなどの点でも有利とされている。
Since the interface level 43a 1 and the trap level 43a 2 for holding charges are distributed spatially discrete, even breakdown occurs in any one place of the
しかし、SiNx膜からなる電荷保持層3のトラップ準位の深さ(電子に対してはトラップ準位と伝導帯下端とのエネルギー差、正孔に対してはトラップ準位と価電子帯上端とのエネルギー差をいう。)が電荷をトラップするのに必ずしも充分に深くないなどの理由により、一旦トラップされた電荷が逃げやすく、絶対的な電荷保持能力(絶縁破壊による電流リークがない素子が有する電荷保持能力のことをいう。)は低いという欠点がある。
However, the depth of the trap level of the charge holding
一方、MONOSメモリと同様に電荷を離散的に保持させることによってトンネル絶縁層の絶縁破壊の問題、および、隣接浮遊ゲート間の寄生容量の問題を解決できると共に、MONOSメモリよりも絶対的な電荷保持能力をさらに高める方法として、ゲート絶縁層中にSiの超微粒子を多数分散させて浮遊ゲートとする構造が考えられている。 On the other hand, the problem of the breakdown of the tunnel insulating layer and the problem of the parasitic capacitance between adjacent floating gates can be solved by holding charges discretely as in the case of the MONOS memory, and more absolute charge retention than the MONOS memory. As a method for further enhancing the capability, a structure in which a large number of Si ultrafine particles are dispersed in a gate insulating layer to form a floating gate is considered.
図5は、Si超微粒子を浮遊ゲートとする半導体記憶素子の概念的な断面構造の一例を示す図である(例えば、特許文献1参照。)。図5に示す半導体記憶素子50を構成する各構成部のうち、図4に示すMONOSメモリ40を構成する各構成部と同様の構成のものについては、同一の番号を付し、その説明を省略する。特許文献1に開示された技術では、図5に示すようにトンネル絶縁層2の上に、CVD法により形成された多数のSi超微粒子53が浮遊ゲートとして形成されている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of a conceptual cross-sectional structure of a semiconductor memory element using Si ultrafine particles as a floating gate (see, for example, Patent Document 1). Among the components constituting the
不純物を含まないSi超微粒子53が浮遊ゲートとして用いられる場合、注入された電子はSiの伝導帯準位にトラップされ、トラップされた電子から見たポテンシャル障壁の高さは、Si超微粒子53を囲む各酸化膜(トンネル絶縁層2および絶縁層4)の伝導帯準位とSiの伝導帯準位の差、すなわちSiと酸化膜の電子親和力の差となる。このポテンシャル障壁は、MONOSメモリ40のSiNx膜からなる電荷保持層3中のトラップが形成する障壁より概して深いため、トラップされた電子は、半導体基板1および制御ゲート5等に移動し難い。そのため、図5に示す断面構造の半導体記憶素子50の電荷保持能力は、MONOSメモリよりも高くなる。
When Si
しかし、上記のポテンシャル障壁の高さの観点からは、超微粒子を構成する材料としてのSiは、高い電荷保持能力を得るための優れた材料とは言えない。Siはいうまでもなく半導体であるため、Si微粒子に閉じ込められた電子は、フェルミ準位より高いSiの伝導帯を占める。これに対して、金属を上記の微粒子に用いる場合は、金属微粒子に閉じ込められた電子は、フェルミ準位を占める。 However, from the viewpoint of the height of the potential barrier described above, Si as a material constituting the ultrafine particles cannot be said to be an excellent material for obtaining a high charge retention capability. Needless to say, since Si is a semiconductor, electrons confined in Si fine particles occupy a conduction band of Si higher than the Fermi level. On the other hand, when a metal is used for the above fine particles, the electrons confined in the metal fine particles occupy the Fermi level.
Siに閉じ込められた電子の準位は、真空準位と伝導帯の底のエネルギー差である電子親和力によって表すことができ、金属に閉じ込められた電子の準位は、真空準位とフェルミ準位のエネルギー差である仕事関数によって表すことができる。ここで、Siの電子親和力は、一般に、金属の仕事関数に比して小さい。そのため、Si超微粒子と酸化膜とがなすポテンシャル障壁は、一般に、金属微粒子と酸化膜とがなすポテンシャル障壁よりも低い。図6は、浮遊ゲートとしてSi、WおよびCo超微粒子を用いた場合の、各材料の超微粒子に捕獲された電子がSiO2膜の絶縁層を通ってSi基板にトンネルする確率を理論的に計算した結果を示す図である。なお、グラフの横軸は電子が透過するSiO2膜のトンネル絶縁層の厚さを表している。この結果によれば、Si浮遊ゲートを用いた場合のトンネル確率は、WやCoの金属浮遊ゲートを用いた場合に比して、2〜5桁程度高い。すなわち、Si浮遊ゲートからのリーク電流は、金属浮遊ゲートのそれに比して、100〜10万倍大きくなる。その結果、Siを浮遊ゲート用の微粒子の材料として用いることは、材料物性的な観点からは電荷保持能力を低くすることとなっていた。
しかし、このような従来の、バルク浮遊ゲート型フラッシュメモリ、MONOSメモリ、SONOSメモリ、Si超微粒子浮遊ゲート型フラッシュメモリ等のフラッシュメモリでは、上述のように電荷保持能力が低いためにトンネル絶縁層の厚さを削減することが困難であるという問題があった。そして、トンネル絶縁層の厚さを削減することが困難であるため、上記のように、データの書き込み動作や消去動作の速度の向上、および、素子の微細化および高密度化が、困難となっていた。 However, such a conventional flash memory such as a bulk floating gate type flash memory, a MONOS memory, a SONOS memory, or an Si ultrafine particle floating gate type flash memory has a low charge holding capability as described above. There was a problem that it was difficult to reduce the thickness. Further, since it is difficult to reduce the thickness of the tunnel insulating layer, as described above, it is difficult to improve the speed of data writing and erasing operations and miniaturize and increase the density of elements. It was.
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、従来の素子よりも室温環境下および高温環境下における電荷保持能力を向上させることにより、データの書き込み動作および消去動作の速度の向上、ならびに、素子の微細化および高密度化に資する不揮発性半導体記憶素子およびその製造方法を提供するものである。 The present invention has been made to solve such problems, and improves the speed of data writing and erasing operations by improving the charge retention capability in a room temperature environment and a high temperature environment as compared with conventional devices. The present invention also provides a nonvolatile semiconductor memory element that contributes to miniaturization and high density of the element and a method for manufacturing the same.
下記の要旨を有する。
1.半導体基板上に形成され、ソース領域と、ドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネルを形成するためのチャネル形成領域上に形成されたトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を通過して前記チャネルから注入された電荷を保持する電荷保持層と、前記電荷保持層上に形成されたゲート間絶縁層と、前記ゲート間絶縁層上に形成され前記電荷保持層に電荷を保持させまたは放出させる制御を行うための制御ゲートとを備えた不揮発性半導体記憶素子において、前記電荷保持層は、浮遊ゲートとして機能する単元素物質または化合物からなる粒子径が5nm以下の1個の超微粒子、または、1種類以上の前記単元素物質または前記化合物からなる、平均の粒子径が5nm以下で、1平方センチメートル当たり1012〜1014個の密度で独立分散した複数の超微粒子と、各前記超微粒子の一部または全部を取り囲む母相絶縁体とによって構成され、各前記超微粒子は、仕事関数が4.2eV以上の良導体材料からなり、前記母相絶縁体は、1.0eV以下の電子親和力を有する非晶質の物質からなる不揮発性半導体記憶素子。
It has the following gist.
1. A tunnel insulating layer formed on a semiconductor substrate and formed on a source region, a drain region, and a channel formation region for forming a channel between the source region and the drain region; and A charge retention layer that retains charges injected from the channel through the channel, an intergate insulating layer formed on the charge retention layer, and an electric charge retained in the charge retention layer formed on the intergate insulating layer In the non-volatile semiconductor memory device including a control gate for performing control to be released or released, the charge retention layer includes one super-element having a particle diameter of 5 nm or less made of a single element substance or compound that functions as a floating gate. 10 1 per square centimeter, having an average particle diameter of 5 nm or less, consisting of fine particles, or one or more of the above-mentioned single element substances or compounds. A plurality of ultrafine particles independently dispersed in two 1014 pieces of density, each said configured by a matrix insulator surrounding a part or the whole of the ultrafine particles, each of the ultrafine particles work function than 4.2eV A non-volatile semiconductor memory element made of a good conductor material, wherein the matrix insulator is made of an amorphous substance having an electron affinity of 1.0 eV or less.
この構成により、超微粒子の分散の密度、粒子径等の適正化がなされると共に、超微粒子および母相絶縁体を構成する材料の選択によるエネルギー障壁の高さの適正化がなされたため、従来の素子よりも室温環境下および高温環境下における電荷保持能力を向上させることができると共にトンネル絶縁層の膜厚を薄くすることが可能となり、データの書き込み動作および消去動作の速度の向上、ならびに、素子の微細化および高密度化に資する不揮発性半導体記憶素子を実現できる。 With this configuration, the dispersion density and particle diameter of the ultrafine particles are optimized, and the energy barrier height is optimized by selecting the materials constituting the ultrafine particles and the matrix insulator. It is possible to improve the charge retention capability in a room temperature environment and a high temperature environment as compared with the device, and to reduce the thickness of the tunnel insulating layer, to improve the speed of data writing and erasing operations, and to the device It is possible to realize a nonvolatile semiconductor memory element that contributes to miniaturization and high density.
2.半導体基板上に形成され、ソース領域と、ドレイン領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間のチャネルを形成するためのチャネル形成領域上に形成されたトンネル絶縁層と、前記トンネル絶縁層を通過して前記チャネルから注入された電荷を保持する電荷保持層と、前記電荷保持層上に形成されたゲート間絶縁層と、前記ゲート間絶縁層上に形成され前記電荷保持層に電荷を保持させまたは放出させる制御を行うための制御ゲートとを備えた不揮発性半導体記憶素子において、前記電荷保持層は、浮遊ゲートとして機能する単元素物質または化合物からなる粒子径が5nm以下の1個の超微粒子、または、1種類以上の前記単元素物質または前記化合物からなる、平均の粒子径が5nm以下で、1平方センチメートル当たり1012〜1014個の密度で独立分散した複数の超微粒子と、各前記超微粒子の一部または全部を取り囲む母相絶縁体とによって構成され、各前記超微粒子は、電子親和力が4.2eV以上の半導体材料からなり、前記母相絶縁体は、1.0eV以下の電子親和力を有する非晶質の物質からなる不揮発性半導体記憶素子。 2. A tunnel insulating layer formed on a semiconductor substrate and formed on a source region, a drain region, and a channel formation region for forming a channel between the source region and the drain region; and A charge retention layer that retains charges injected from the channel through the channel, an intergate insulating layer formed on the charge retention layer, and an electric charge retained in the charge retention layer formed on the intergate insulating layer In the non-volatile semiconductor memory device including a control gate for performing control to be released or released, the charge retention layer includes one super-element having a particle diameter of 5 nm or less made of a single element substance or compound that functions as a floating gate. 10 1 per square centimeter, having an average particle diameter of 5 nm or less, consisting of fine particles, or one or more of the above-mentioned single element substances or compounds. It is composed of a plurality of ultrafine particles independently dispersed at a density of 2 to 10 14 and a matrix insulator surrounding a part or all of each ultrafine particle, and each ultrafine particle has an electron affinity of 4.2 eV or more A nonvolatile semiconductor memory element, wherein the matrix insulator is made of an amorphous material having an electron affinity of 1.0 eV or less.
この構成により、超微粒子の分散の密度、粒子径等の適正化がなされると共に、超微粒子および母相絶縁体を構成する材料の選択によるエネルギー障壁の高さの適正化がなされたため、従来の素子よりも室温環境下および高温環境下における電荷保持能力を向上させることができると共にトンネル絶縁層の膜厚を薄くすることが可能となり、データの書き込み動作および消去動作の速度の向上、ならびに、素子の微細化および高密度化に資する不揮発性半導体記憶素子を実現できる。 With this configuration, the dispersion density and particle diameter of the ultrafine particles are optimized, and the energy barrier height is optimized by selecting the materials constituting the ultrafine particles and the matrix insulator. It is possible to improve the charge retention capability in a room temperature environment and a high temperature environment as compared with the device, and to reduce the thickness of the tunnel insulating layer, to improve the speed of data writing and erasing operations, and to the device It is possible to realize a nonvolatile semiconductor memory element that contributes to miniaturization and high density.
3.各前記超微粒子をなす前記単元素物質または前記化合物の仕事関数と、前記半導体基板の仕事関数との差の絶対値が0.5eV以下である上記1または2の不揮発性半導体記憶素子。 3. 3. The nonvolatile semiconductor memory element according to 1 or 2, wherein an absolute value of a difference between a work function of the single element substance or the compound forming each ultrafine particle and a work function of the semiconductor substrate is 0.5 eV or less.
この構成により、上記1または2の不揮発性半導体記憶素子の効果に加え、超微粒子の分散の密度、粒子径等の適正化がなされたため、従来の素子よりも電荷保持能力を向上させることができると共にトンネル絶縁層の膜厚を薄くすることが可能となり、データの書き込み動作および消去動作の速度の向上、ならびに、素子の微細化および高密度化に資するという効果に加え、各超微粒子をなす物質の仕事関数と、半導体基板の仕事関数との差の絶対値が、0.5eV以下としたため、超微粒子に電荷を注入する書き込み動作以前に半導体基板から電荷が超微粒子に移動することを防止でき、室温環境下および高温環境下の動作において情報の保持に役立たない電荷の超微粒子への移動を防止することが可能な不揮発性半導体記憶素子を実現できる。
With this configuration, in addition to the effects of the above-described nonvolatile
4.各前記超微粒子をなす前記単元素物質または前記化合物の仕事関数と、前記制御ゲートの仕事関数との差の絶対値が、0.5eV以下である上記1または2の不揮発性半導体記憶素子。 4). 3. The nonvolatile semiconductor memory element according to 1 or 2, wherein an absolute value of a difference between a work function of the single element material or the compound forming each ultrafine particle and a work function of the control gate is 0.5 eV or less.
この構成により、上記1または2の不揮発性半導体記憶素子の効果に加え、各超微粒子をなす物質の仕事関数と、制御ゲートの仕事関数との差の絶対値が、0.5eV以下としたため、超微粒子に電荷を注入する書き込み動作以前に制御ゲートから電荷が超微粒子に移動することを防止でき、情報の保持に役立たない電荷の超微粒子への移動を防止することが可能な不揮発性半導体記憶素子を実現できる。 With this configuration, the absolute value of the difference between the work function of the substance forming each ultrafine particle and the work function of the control gate is 0.5 eV or less in addition to the effect of the nonvolatile semiconductor memory element of 1 or 2 above. Nonvolatile semiconductor memory capable of preventing charge from moving from control gate to ultrafine particle before writing operation for injecting charge into ultrafine particle and preventing transfer of charge which is not useful for information retention to ultrafine particle An element can be realized.
5.上記1から4までのいずれかの不揮発性半導体記憶素子の製造方法において、前記電荷保持層を物理的蒸着法によって形成するようにした不揮発性半導体記憶素子の製造方法。 5). The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory element according to any one of 1 to 4, wherein the charge retention layer is formed by physical vapor deposition.
この構成により、物理的蒸着法は相分離を生じさせやすいため、上記1から4までのいずれかの不揮発性半導体記憶素子の効果を有する不揮発性半導体記憶素子の電荷保持層を容易に作成することが可能な不揮発性半導体記憶素子の製造方法を実現できる。
With this configuration, the physical vapor deposition method is likely to cause phase separation, so that it is possible to easily create the charge retention layer of the nonvolatile semiconductor memory element having the effect of any one of the nonvolatile
6.上記1から4までのいずれかの不揮発性半導体記憶素子の製造方法において、前記電荷保持層をスパッタリング法によって形成するようにした不揮発性半導体記憶素子の製造方法。 6). The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory element according to any one of 1 to 4, wherein the charge retention layer is formed by a sputtering method.
この構成により、スパッタリング法は、成膜材料を幅広く選択できること、緻密な膜を得易いこと、下地との密着性が高い膜が得られること、量産性に優れていることなどのため、上記1から4までのいずれかの不揮発性半導体記憶素子の効果を有する不揮発性半導体記憶素子の電荷保持層を好適に製造することが可能な不揮発性半導体記憶素子の製造方法を実現できる。 With this configuration, the sputtering method can be used for a wide range of film forming materials, easy to obtain a dense film, a film having high adhesion to the base, and excellent mass productivity. To 4. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory element capable of suitably manufacturing the charge retention layer of the nonvolatile semiconductor memory element having the effect of any one of the nonvolatile semiconductor memory elements from 1 to 4 can be realized.
本発明は、超微粒子の分散の密度、粒子径等の適正化がなされると共に、超微粒子および母相絶縁体を構成する材料の選択によるエネルギー障壁の高さの適正化がなされたため、従来の素子よりも室温環境下および高温環境下における電荷保持能力を向上させることができると共にトンネル絶縁層の膜厚を薄くすることが可能となり、データの書き込み動作および消去動作の速度の向上、ならびに、素子の微細化および高密度化に資するという効果を有する不揮発性半導体記憶素子およびその製造方法を提供できる。このことに関する理論的な説明は、図6を用いて説明できる。図6は、浮遊ゲートに捕獲された電子が絶縁層をすり抜ける際のトンネル確率を、浮遊ゲートを構成する材料の仕事関数または電子親和力をパラメータとして示した図とみることもできる。ここで、図6に示す各曲線は、絶縁層として、電子親和力が1.0eVのSiO2膜を用いた場合のものである。このグラフから、浮遊ゲートとして仕事関数または電子親和力が大きい材料ほど、トンネル確率は低くなることが分かる。換言すれば、同じトンネル確率を得るには、仕事関数の大きな材料を用いる程、SiO2膜の厚さを薄くできるということになる。 In the present invention, since the dispersion density and particle diameter of the ultrafine particles have been optimized, the height of the energy barrier has been optimized by selecting the materials constituting the ultrafine particles and the parent phase insulator. It is possible to improve the charge retention capability in a room temperature environment and a high temperature environment as compared with the device, and to reduce the thickness of the tunnel insulating layer, to improve the speed of data writing and erasing operations, and to the device It is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory element having an effect of contributing to miniaturization and high density of the semiconductor device and a method for manufacturing the same. The theoretical explanation for this can be explained using FIG. FIG. 6 can also be seen as a diagram showing the tunnel probability when electrons trapped in the floating gate pass through the insulating layer, using the work function or electron affinity of the material constituting the floating gate as a parameter. Here, each curve shown in FIG. 6 is obtained when an SiO 2 film having an electron affinity of 1.0 eV is used as the insulating layer. From this graph, it can be seen that the higher the work function or the electron affinity of the material as the floating gate, the lower the tunnel probability. In other words, to obtain the same tunnel probability, the thickness of the SiO 2 film can be reduced as the material having a higher work function is used.
また、上記のエネルギー障壁の高さの適正化に関する説明、すなわち図6に示すような、浮遊ゲートに用いる材料の違いによりトンネル確率が違うことに関する説明は、浮遊ゲートに蓄えられた電子が半導体基板や制御ゲートへ散逸することを抑制することに対してのみでなく、隣接する超微粒子間での電子の移動を抑制することに対しても、適用が可能である。このことにより、浮遊ゲートに用いられる超微粒子の密度を高めた場合においても、浮遊ゲートとしてSiの超微粒子を用いるより、金属の超微粒子を用いる方が超微粒子間の電気的絶縁性を得ることができる。その結果、素子の電荷保持の信頼性、および多値動作の安定化に寄与する。 In addition, the explanation about the optimization of the height of the energy barrier, that is, the explanation about the difference in tunnel probability depending on the material used for the floating gate, as shown in FIG. The present invention can be applied not only to suppressing the dissipation to the control gate, but also to suppressing the movement of electrons between adjacent ultrafine particles. As a result, even when the density of the ultrafine particles used for the floating gate is increased, it is possible to obtain electrical insulation between the ultrafine particles by using the ultrafine metal particles rather than using the ultrafine Si particles as the floating gate. Can do. As a result, it contributes to the reliability of charge retention of the element and the stabilization of multi-value operation.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図1は、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶素子の断面構造を概念的に示す説明図である。図1において、不揮発性半導体記憶素子10は、半導体基板1上に形成され、ソース領域6と、ドレイン領域7と、ソース領域6とドレイン領域7との間のチャネルを形成するためのチャネル形成領域上に形成されたトンネル絶縁層2と、トンネル絶縁層2を通過してチャネルから注入された電荷を保持する電荷保持層3と、電荷保持層3上に形成されたゲート間絶縁層4と、ゲート間絶縁層4上に形成され電荷保持層3に電荷を保持させまたは放出させる制御を行うための制御ゲート5とを備える。
FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing a cross-sectional structure of a nonvolatile semiconductor memory element according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a nonvolatile
上記の電荷保持層3は、浮遊ゲートとして機能する単元素物質または化合物からなる粒子径が5nm以下の1個の超微粒子3a、または、1種類以上の単元素物質または化合物からなる、平均の粒子径が5nm以下で、1平方センチメートル当たり1012〜1014個の密度で独立分散した複数の超微粒子3aと、各超微粒子の一部または全部を取り囲む母相絶縁体3bとによって構成される。ここで、上記の平均の粒子径とは、例えば、素子の周辺部を除いた領域に分散された超微粒子のうち、粒子径が大きい方から10%の超微粒子を除去し、粒子径が小さい方から10%の超微粒子を除去したときの算術平均をいうものとする。
The
ここで、上記の母相絶縁体3bは、各超微粒子3aの側面の一部または全部を取り囲む膜状の領域からなる絶縁体である。したがって、電荷保持層3は、母相絶縁体3b中に分散して存在する各超微粒子3aと、母相絶縁体3bとによって構成される。また、上記の母相絶縁体3bは、トンネル絶縁層2およびゲート間絶縁層4と異なる材料からなるのでもよい。同様に、トンネル絶縁層2とゲート間絶縁層4とは異なる材料からなるのでもよい。
Here, the
以下では、半導体基板1としてp型半導体基板を用いることとするが、埋め込み酸化膜(Buried Oxide、BOX)を有するSOI(Silicon On Insulator)基板を用いるのでもよい。ここで、トンネル絶縁層2としては、p型の半導体基板1と界面接合性が比較的よいSiO2等の酸化膜や、制御ゲート電圧によるp型の半導体基板1表面の電界分布の制御性を高め、誘電率の高い、例えばSiOxNy(0≦x<2、0<y≦4/3)系材料やHfO2などの材料が好適に使用できる。
In the following, a p-type semiconductor substrate is used as the
また、トンネル絶縁層2の材料として、SiNx(0<x≦4/3)等の窒素化合物系絶縁膜や、HfO2やLaOx等の非Si系酸化物を用いることは、浮遊ゲート材料に重金属を採用した場合に、浮遊ゲート材料の重金属の一部がトンネル絶縁層を通して半導体基板1側へ拡散し、MOSFETのしきい値電圧を変化させることを防止できるため、極めて望ましい。
Further, as the material of the
また、トンネル絶縁層2の膜厚は、データの書き込み/消去動作を高速に行わせるため、できるだけ薄い方がよく、8nm以下であることが好ましい。さらに、トンネル絶縁層2の膜厚を、5nm以下とすることが、高速化のために極めて好ましい。
The film thickness of the
電荷保持層3を構成する各超微粒子3aは、トンネル絶縁層2の絶縁破壊による蓄積電荷の損失量をできるだけ少なく抑えるため、多数分散されるのが好適である。ただし、超微粒子3a間の電気的絶縁を確保できるように、各超微粒子3a間の距離が所定以上となるように超微粒子3aを分散することが、さらに、好適である。超微粒子3aの粒径は、5nm以下が好適である。
It is preferable that a large number of the
一方、超微粒子3aへの蓄積電荷の有無によるしきい値電圧のシフト量(ΔVth、メモリウィンドウ)を大きくすると共に、しきい値電圧のシフト量のばらつきの増大を抑制する目的から、超微粒子3aの電荷保持層3における面密度は高いことが好ましく、1012〜1014/cm2とするのが好適である。また、超微粒子3aおよび母相絶縁体3bとして、半導体製造プロセスにおける高温処理に対して耐性をもつ、後述の高融点材料を用いることが好適である。
On the other hand, for the purpose of increasing the threshold voltage shift amount (ΔVth, memory window) due to the presence or absence of accumulated charges in the
電荷保持層3の電荷保持能力を向上させるため、図2に示す不揮発性半導体記憶素子20を構成する電荷保持層23のように、超微粒子の配列を2段以上すなわち3次元的な多層構造(これに対し、図1に示す電荷保持層3を特に単層構造の電荷保持層という。)にするのも有効である。言い換えれば、不揮発性半導体記憶素子20の電荷保持層23は、単層構造の電荷保持層が複数積層された構造を有する。
In order to improve the charge retention capability of the
以下では、電荷保持層内の超微粒子が2層構造を有するものとして、多層構造により電荷保持能力が向上する理由について説明する。まず、電荷保持層23を構成する超微粒子の層を、それぞれ、半導体基板1に近い方から順に、第1層目3a1、第2層目3a2と定義する。電荷(本実施の形態では、電子)が第1層目3a1および第2層目3a2の両方に蓄積されている状態で、第2層目3a2に蓄積された電子が半導体基板1にリークするには、そのリーク経路途中に存在する第1層目3a1の電子が形成する静電ポテンシャルにより、第2層目3a2の電子の半導体基板1へのリークは阻害される。その結果、多層構造の場合の方が単層構造の場合より、電荷保持能力が向上する。
Hereinafter, the reason why the charge retention capability is improved by the multilayer structure will be described assuming that the ultrafine particles in the charge retention layer have a two-layer structure. First, the ultrafine particle layers constituting the
電荷が蓄積された超微粒子が形成する静電ポテンシャルによって、「+」または「−」のいずれかの同一の符号をもつ荷電粒子の動きが阻害される効果は、クーロンブロッケード効果と呼ばれる。この効果が発現するには、ΔE=q2/(2C)が温度によって定まる熱エネルギー(ゆらぎのエネルギーともいう。)より十分高いことが条件とされる。ここで、qは超微粒子に注入された荷電粒子の電荷量であり、Cはトンネル対象のポテンシャルを有する領域間のトンネル接合容量であり、そして、ΔEは、超微粒子が電荷qを蓄積することによる静電ポテンシャルの上昇分すなわちクーロンブロッケード障壁の高さである。 The effect in which the movement of charged particles having the same sign of “+” or “−” is inhibited by the electrostatic potential formed by the ultrafine particles in which charges are accumulated is called the Coulomb blockade effect. In order to exhibit this effect, it is necessary that ΔE = q 2 / (2C) is sufficiently higher than thermal energy (also referred to as fluctuation energy) determined by temperature. Here, q is the charge amount of the charged particles injected into the ultrafine particles, C is the tunnel junction capacitance between the regions having the potential to be tunneled, and ΔE is that the ultrafine particles accumulate the charge q. This is the increase in electrostatic potential due to, that is, the height of the Coulomb blockade barrier.
ΔE=q2/(2C)の式から、クーロンブロッケード障壁の高さΔEは、静電ポテンシャルを形成する荷電粒子の電荷量qが大きいほど、また、トンネル接合容量Cが小さいほど高くなり、クーロンブロッケード効果が発現しやすくなる。ゆえに、クーロンブロッケード効果を十分に発現させるためには、超微粒子の一つ一つが小さいことが好ましい。
また、クーロンブロッケード効果を空間的に一様に得るためには、超微粒子の面密度が1012〜1014/cm2と高くなるようにすることが好ましい。
From the equation of ΔE = q 2 / (2C), the height ΔE of the Coulomb blockade barrier increases as the charge amount q of the charged particles forming the electrostatic potential increases and the tunnel junction capacitance C decreases. The blockade effect is easily developed. Therefore, in order to sufficiently exhibit the Coulomb blockade effect, it is preferable that each of the ultrafine particles is small.
In order to obtain the Coulomb blockade effect spatially and uniformly, it is preferable that the surface density of the ultrafine particles be as high as 10 12 to 10 14 / cm 2 .
ゲート間絶縁層4は、制御ゲート電圧に応じたp型の半導体基板1の表面付近の電界分布の制御性を高めること、および、データ消去時の放電動作を高速にすることなどの観点から、高い誘電率を有する材料を用いて薄い膜厚の膜を形成するのが好適である。このようにすることによって、制御ゲート5と半導体基板1との容量結合、および、制御ゲート5と浮遊ゲートすなわち超微粒子3aとの容量結合を強くできる。具体的には、SiO2膜、SiOxNy(0≦x<2、0<y≦4/3)膜、または、SiO2膜とSiOxNy(0≦x<2、0<y≦4/3)膜との積層膜などを、10nm以下の厚さにしたものが好適である。
From the viewpoints of improving the controllability of the electric field distribution near the surface of the p-
一方、浮遊ゲートを構成する超微粒子3aに蓄積された電荷に対して単位電荷量あたりに得られるメモリウィンドウを大きくするという観点、または、超微粒子3aに蓄積された電荷が制御ゲート5にリークすることを抑制するという観点からは、ゲート間絶縁層4の厚さは厚い方が好ましい。以上のことから、メモリデバイスに求められる特性に応じてゲート間絶縁層の材質および厚みを調節、または、決定するものとする。
On the other hand, from the viewpoint of increasing the memory window obtained per unit charge amount with respect to the charge accumulated in the
電荷保持層3は、いわゆる物理的蒸着法を用いて形成される。電荷保持層3用の薄膜の形成法としては、物理的蒸着法以外に化学蒸着法(化学気相蒸着法、別称CVD法)等も知られている。しかし、CVD法は、物理的成膜法に対し、成膜時の気相圧力が高いため反応原子種、分子種の気相における衝突頻度が高く、気相および基板表面温度が高いなどの理由により、相分離のない単一相の膜すなわち平衡相膜が形成されやすい。したがって、化学蒸着法は、本発明の電荷保持層3のような超微粒子3aと母相絶縁体3bとが分離した状態にある、準平衡相または非平衡相の膜を形成する目的には適さない。
The
これに対して、電荷保持層3は、物理的蒸着法を用いることにより一回のプロセスで形成しうる。物理的蒸着法としては、スパッタリング法、熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシー法などがあげられる。なかでも、スパッタリング法は、成膜材料を幅広く選択できること、緻密な膜を得易いこと、下地との密着性が高い膜が得られることなどに加えて量産性に優れており、特に好ましい。
On the other hand, the
さらに、スパッタリング装置としては、下地のトンネル酸化膜に与えるダメージが少ない等の理由により、誘導結合型プラズマ(ICP)や電磁波結合型プラズマ(ECRプラズマ)を用いる装置、または、対向ターゲット方式の装置を用いるものがより好ましい。
スパッタリング法は、超微粒子の形成の際の自己組織化にとって適切な基板温度などが得られるため好ましい。具体的には、素子作成プロセス上、適切な基板温度で、半導体基板表面において成膜種粒子をマイグレーションさせ、自己組織化を起こさせることができる。
Further, as a sputtering apparatus, an apparatus using an inductively coupled plasma (ICP) or an electromagnetically coupled plasma (ECR plasma) or a counter target type apparatus is used because the damage to the underlying tunnel oxide film is small. What is used is more preferable.
The sputtering method is preferable because a substrate temperature suitable for self-organization when forming ultrafine particles can be obtained. Specifically, self-organization can be caused by migrating film-forming seed particles on the surface of the semiconductor substrate at an appropriate substrate temperature in the element creation process.
ここで、上記の自己組織化とは、超微粒子3aを構成する原子群と母相絶縁体3bを構成する原子群とが熱力学的相互作用などにより自発的にそれぞれ分離して配置し、その結果、絶縁体中に金属ないしは半導体のナノスケールの超微粒子が組織化されることをいう。この現象は、超微粒子3aの構成材料と母相絶縁体3bの構成材料の組み合わせ、存在比率等のターゲットの作成条件、および、成膜中の蒸気圧、基板温度等の成膜条件等に依存する。
Here, the self-organization means that the atomic group constituting the
自己組織化は、超微粒子3aおよび母相絶縁体3bの材料を適切に選択してターゲットを生成し、スパッタリングの条件を適切に選ぶことにより比較的容易に実現でき、電荷保持層3を形成できる。スパッタリング法は、自己組織化の発現に適した熱力学的条件を得ることができる好適な成膜方法である。
The self-organization can be realized relatively easily by appropriately selecting the materials of the
スパッタリング法によって電荷保持層3を形成する場合、成膜に用いるターゲットとして、超微粒子3aを形成するための材料(以下、母相絶縁体3b中に分散して存在する超微粒子の相を分散相という。)と、母相絶縁体3bの相を形成する材料の両方を含む混合ターゲットを用いることが好適である。混合ターゲットの作成方法は、特定の方法に限定されるものではなく、両相の粉末材料を混合して焼結したもの、または、一方の相の材料からなる単一相のターゲットを作成し、これに他方の相の材料のチップ片を表面に露出するように適当数埋め込んで生成するのでもよい。
When the
また、ターゲットのスパッタリング面が成膜装置の成膜室において鉛直上向きに設置される場合には、一方の相の材料の単一相ターゲット上に他方の相の材料のチップ片を適当数乗せたもの、または両相の混合粉末をガラスシャーレなどに敷き詰めたものもターゲットとして利用できる。ただし、粉末ターゲットは成膜環境において粉末が飛散し他の素子作成プロセスに悪影響を及ぼす恐れがあるなどの理由により、半導体デバイスを作成する上ではあまり好ましくない。 In addition, when the sputtering surface of the target is installed vertically upward in the film forming chamber of the film forming apparatus, an appropriate number of chip pieces of the other phase material are placed on the single phase target of the one phase material. Or a mixture of both phases mixed in a glass petri dish can be used as a target. However, the powder target is not so preferable in manufacturing a semiconductor device because the powder is scattered in a film forming environment and may adversely affect other element manufacturing processes.
電荷保持層3を形成する場合、電荷保持層3中に分散相として現れる超微粒子からなる相(以下、超微粒子分散相という。)を得るための材料と、母相絶縁体3bを得るための材料(以下、マトリックス相材料という。)との組み合わせとしては、超微粒子分散相の材料とマトリックス相材料とが成膜時に相分離を起こす組み合わせの材料を選択するものとする。
When the
超微粒子分散相の材料としては、金属、半導体および絶縁体のいずれからも選択できるが、高い電荷保持能力を得るという観点から、仕事関数または電子親和力のできるだけ大きい物質が好適である。理論的には、図6に示されるように、電子を捕獲している超微粒子からその周囲にある絶縁体をすり抜ける際のトンネル確率が、超微粒子を構成する材料によって異なり、その材料の仕事関数または電子親和力が大きいほどトンネル確率は低くなる、ということから説明される。また、この浮遊ゲートに用いる材料の仕事関数の違いは、素子の高温環境下での電荷保持能力にも影響を与える。高温環境下においては、室温環境下に比べ保持電荷が有する熱的エネルギー(この熱的エネルギーはkTに比例した値をとる。ここでkはボルツマン定数、Tは絶対温度)が高いため、実効的にはポテンシャル障壁が低下する。さらには、浮遊ゲートを取り囲む絶縁体のエネルギーバンドギャップに比較的強い温度依存性がある。絶縁体として最も頻繁に使われるSiO2などでは、温度の上昇によりバンドギャップが小さくなる傾向があり、温度上昇に伴うギャップ縮小の影響が無視できないほど大きい。保持電荷が有する熱エネルギー、温度上昇に伴うギャップ縮小等の影響により、高温環境下でのポテンシャル障壁は室温環境下でのそれに比べ無視できないほど低下し、それが高温での電荷保持能力を劣化させる要因になっている。このとき、浮遊ゲートに仕事関数の大きな金属を用いることにより、高温環境下で実効的に低下したポテンシャル障壁を十分補うことが可能となり、高温環境化においても浮遊ゲートにSiを用いた場合に比べてトンネル確率を低く抑えることができる。このことから、浮遊ゲートに高い仕事関数の材料を用いることは、仕事関数の低い材料またはSiのように温度上昇に伴いポテンシャル障壁が実質的に低下する半導体を用いるよりも高温環境下での電荷保持能力を高くすることができる。具体的には、金属材料については仕事関数が4.2eV以上の材料が、半導体および絶縁体材料については電子親和力が4.2eV以上である材料がよい。また、高融点物質を超微粒子分散相の材料として用いるのは、素子作成プロセスにおける熱処理に対して耐熱性に優れているということから好適である。 The material for the ultrafine particle dispersed phase can be selected from any of metals, semiconductors, and insulators, but from the viewpoint of obtaining a high charge retention capability, a substance having as large a work function or electron affinity as possible is preferable. Theoretically, as shown in FIG. 6, the tunnel probability when passing through an insulator around the ultrafine particles capturing electrons differs depending on the material constituting the ultrafine particles, and the work function of the material Or it is explained from the fact that the greater the electron affinity, the lower the tunnel probability. In addition, the difference in work function of the material used for the floating gate also affects the charge retention capability of the device in a high temperature environment. In a high-temperature environment, the thermal energy of the retained charge (this thermal energy takes a value proportional to kT, where k is a Boltzmann constant and T is an absolute temperature) is higher than that in a room temperature environment. Will lower the potential barrier. Furthermore, the energy band gap of the insulator surrounding the floating gate has a relatively strong temperature dependence. In the case of SiO 2 or the like that is most frequently used as an insulator, the band gap tends to become smaller as the temperature rises, and the influence of gap reduction accompanying the temperature rise is so large that it cannot be ignored. Due to the effects of thermal energy of retained charge and gap reduction accompanying temperature rise, the potential barrier in high temperature environment is reduced to a negligible level compared to that in room temperature environment, which degrades charge retention capability at high temperature. It is a factor. At this time, by using a metal having a large work function for the floating gate, it becomes possible to sufficiently compensate for the potential barrier effectively lowered in a high temperature environment. Compared to the case where Si is used for the floating gate even in a high temperature environment. The tunnel probability can be kept low. Therefore, using a material with a high work function for the floating gate is a charge in a high-temperature environment rather than using a material with a low work function or a semiconductor whose potential barrier is substantially lowered as the temperature rises, such as Si. The holding ability can be increased. Specifically, a material having a work function of 4.2 eV or more is preferable for a metal material, and a material having an electron affinity of 4.2 eV or more is preferable for a semiconductor and an insulator material. In addition, it is preferable to use a high melting point material as a material for the ultrafine particle dispersed phase because of its excellent heat resistance against heat treatment in the element fabrication process.
さらに、超微粒子分散相の材料としては、超微粒子にトラップされた電子が外部に飛び出すのを阻止するポテンシャル障壁の実効的な高さを高め、高い電荷保持能力を得るという観点から、半導体基板または制御ゲートの仕事関数にできるだけ近い物質が好適である。具体的には、超微粒子分散相の材料と半導体基板の材料との仕事関数の差の絶対値が、または、超微粒子分散相の材料と制御ゲートの材料との仕事関数の差の絶対値が、0.5eV以下である材料であることが好適である。 Furthermore, as a material for the ultrafine particle dispersed phase, from the viewpoint of increasing the effective height of the potential barrier that prevents the electrons trapped in the ultrafine particles from jumping to the outside, and obtaining a high charge retention capability, A material that is as close as possible to the work function of the control gate is preferred. Specifically, the absolute value of the work function difference between the material of the ultrafine particle dispersed phase and the material of the semiconductor substrate, or the absolute value of the work function difference between the material of the ultrafine particle dispersed phase and the material of the control gate is The material is 0.5 eV or less.
これは、以下の理由によるものである。異なる仕事関数の材料同士を接合すると、熱平衡状態においては、各材料間で、互いのフェルミ準位が一致するように、一方の材料から他の材料に電子の移動が生じる。そのため、超微粒子の仕事関数が過度に高い場合には、半導体基板から超微粒子に電子を移動させる作用が強く働き、超微粒子に電子を注入する以前に、超微粒子に電子が自発的に流入した状態となる。 This is due to the following reason. When materials having different work functions are joined, in a thermal equilibrium state, electrons move from one material to another so that the Fermi levels of the materials coincide with each other. Therefore, when the work function of the ultrafine particles is excessively high, the action of moving electrons from the semiconductor substrate to the ultrafine particles works strongly, and the electrons spontaneously flowed into the ultrafine particles before injecting the electrons into the ultrafine particles. It becomes a state.
この状態からデータの書き込みのために電子を注入しようとすると、2つ目以降の電子が注入されることになる。以下では、説明の都合上、上記の「2つ目以降の電子」を「2つ目の電子」とする。ここで、超微粒子の大きさはnmオーダーであるため、電子がとりうるエネルギー準位は量子化されており、超微粒子に注入された2つ目の電子は基底準位より高いエネルギー準位(通常は、直上の励起準位を占める。)を占める。 If electrons are to be injected for writing data from this state, the second and subsequent electrons are injected. Hereinafter, for convenience of explanation, the above “second and subsequent electrons” are referred to as “second electrons”. Here, since the size of the ultrafine particles is on the order of nm, the energy level that can be taken by the electrons is quantized, and the second electron injected into the ultrafine particles has an energy level higher than the ground level ( Usually, it occupies the excitation level directly above.)
量子化による、基底準位と、基底準位の直上の準位とのエネルギー差をΔEQとし、クーロンブロッケードによって上昇するエネルギーをΔECBとすると、トンネル絶縁層に2つ目の電子が超微粒子に注入されるには、2つ目の電子は、基底準位よりもΔEQ+ΔECBだけ高いエネルギー準位を占める必要がある。その結果、2つ目の電子の有無が書き込まれたデータが「0」か「1」かを決定するため、超微粒子の実効的な仕事関数は相対的にΔEQ+ΔECBだけ低くなったのと等価になる。そして、超微粒子の仕事関数が過度に高い場合には、電子を定常的にトラップした状態を形成するため実効的な仕事関数が低下する恐れがある。 If the energy difference between the ground level and the level just above the ground level by quantization is ΔE Q, and the energy rising by the Coulomb blockade is ΔE CB , the second electron is in the tunnel insulating layer. The second electron needs to occupy an energy level higher than the ground level by ΔE Q + ΔE CB . As a result, the effective work function of the ultrafine particles was relatively lowered by ΔE Q + ΔE CB in order to determine whether the data in which the presence or absence of the second electron is written is “0” or “1”. Is equivalent to When the work function of the ultrafine particles is excessively high, an effective work function may be lowered because a state where electrons are constantly trapped is formed.
超微粒子用の金属材料としては、4.2eV以上の仕事関数を有する、Os、Pt、Pd、Ni、Au、Co、Be、Rh、Te、Re、Ru、Cu、Mo、Sb、W、Cr、Fe、Ir、Sr、Se、Ba等、または、これらの合金、または、これらを主成分とする合金等が好適である。また、耐熱性という観点からは、超微粒子の融点は、1400℃以上であることが好適である。 As metal materials for ultrafine particles, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Co, Be, Rh, Te, Re, Ru, Cu, Mo, Sb, W, Cr having a work function of 4.2 eV or more. Fe, Ir, Sr, Se, Ba, etc., or alloys thereof, or alloys containing these as main components are suitable. From the viewpoint of heat resistance, the melting point of the ultrafine particles is preferably 1400 ° C. or higher.
さらに、超微粒子用の材料は、超微粒子を構成する原子が半導体基板、例えばSi基板、中に入り再結合中心を形成するとき、この再結合中心が半導体基板、例えばSi基板、のギャップの中心から少なくとも0.1eV以上離れていることが好ましい。これは、チャネルが形成される部分に電子とホールの再結合中心がある場合、この再結合中心を介した電子とホールの再結合の確率は、ギャップの中心からの再結合中心のエネルギーの関数であり、ほぼ双曲余弦関数の逆数で変化するからである。不揮発性半導体記憶素子10では、p型半導体基板中に形成されたチャネルを流れる電子のように、少数キャリアを動作に用いるため、再結合の影響は、少数キャリアほど大きい。また、超微粒子はチャネル上のナノメータオーダーの接近した位置に形成され、超微粒子とチャネルとの距離は小さいので、超微粒子を構成する原子がチャネルに拡散することによる影響が問題となる。上記のように、ギャップの中心からの再結合中心のエネルギーが0.1eV以上離れていれば、不揮発性半導体記憶素子10の動作に必要な程度まで再結合の確率を抑制することが可能となる。以上、仕事関数、融点、不純物準位の観点を総合すると、具体的には、W、Mo、Ti、Pt、Pd、Ni、Ta、Cr等が好適であるが、Os、Re、Nb、Ru、Rhでもよい。
Furthermore, the material for the ultrafine particles is such that when the atoms constituting the ultrafine particles enter a semiconductor substrate, for example, a Si substrate, and form a recombination center, this recombination center is the center of the gap of the semiconductor substrate, for example, the Si substrate. Is preferably at least 0.1 eV or more from. This is because if there is an electron-hole recombination center in the part where the channel is formed, the probability of electron-hole recombination via this recombination center is a function of the energy of the recombination center from the center of the gap. This is because it changes with the reciprocal of the hyperbolic cosine function. In the nonvolatile
また、超微粒子用の元素半導体としては、Si、Ge、非晶質のSe、非晶質のTe等の半導体のうちのいずれかを用いることが好ましい。上記の半導体がP、As、Sb、B、Al、Ga、InおよびCuのうち少なくとも1種の元素を不純物として含むものでもよい。ここで、不純物がドープされたSiを超微粒子として用いることは、超微粒子を構成する原子または不純物の原子が拡散して半導体基板1に到達したとしても、少数キャリアのライフタイム低下に与える影響が少なく、トランジスタのしきい値電圧の変動への影響を小さくでき、好適である。
Further, as the elemental semiconductor for ultrafine particles, it is preferable to use any one of semiconductors such as Si, Ge, amorphous Se, and amorphous Te. The semiconductor may include at least one element of P, As, Sb, B, Al, Ga, In, and Cu as an impurity. Here, the use of Si doped with impurities as ultrafine particles has the effect of reducing the lifetime of minority carriers even if atoms constituting the ultrafine particles or impurity atoms diffuse to reach the
超微粒子用の化合物半導体または絶縁体としては、InAs、InGaAs、InGaNAs、InAlAs、InAsP、InGaAsP、InSb、InGaSb、InAlSb、InGaAsSb、SiC、Cu2O、ZnO、CdO、BaO、PbO、NiO、In2O3、Sb2O3、SnO2、Ag2O、AgO、RuO2、V3Ga、Nb3Sn、Nb3Al、Nb3Ga、Nb3Ge、NbTi、NbMo6S8、ZnS、CdS、HgS、PbS、Sb2S3、Bi2S3、ZnSe、CdSe、HgSe、SnSe、PbSe、In2Se3、Sb2Se3、BiSe3、ZnTe、CdTe、HgTe、SnTe、PbTe、In2Te3、Bi2Te3、BN、GaN、InN、TiN、BP、AlP、GaP、InP、Zn3P2、Cd3P2、ZnP2、CdP2、AlAs、GaAs、Zn3As2、Cd3As2、ZnAs2、CdAs2、AlSb、GaSb、ZnSb、CdSb、Si3N4のうちの少なくとも1種の化合物であることが好ましい。
As compound semiconductors or insulators for ultrafine particles, InAs, InGaAs, InGaNAs, InAlAs, InAsP, InGaAsP, InSb, InGaSb, InAlSb, InGaAsSb, SiC, Cu 2 O, ZnO, CdO, BaO, PbO, NiO, In 2 O 3 , Sb 2 O 3 , SnO 2 , Ag 2 O, AgO, RuO 2 , V 3 Ga, Nb 3 Sn, Nb 3 Al, Nb 3 Ga, Nb 3 Ge, NbTi, NbMo 6 S 8 , ZnS,
また、これらの物質群の中でIn2O3、Sb2O3、SnO2、ZnO、GaAsのうちの少なくとも1種の化合物は、Sn、Sb、Ga、Al、Inのうち少なくとも1種の元素を不純物として含むものでもよい。 Among these substance groups, at least one compound of In 2 O 3 , Sb 2 O 3 , SnO 2 , ZnO, and GaAs is at least one of Sn, Sb, Ga, Al, and In. An element may be included as an impurity.
母相絶縁体の材料としては、半導体および絶縁体のいずれからも選択できるが、超微粒子に捕獲された電子に対するポテンシャル障壁を高くし、高い電荷保持能力を得るという観点から、その電子親和力ができるだけ小さい材料が好適である。具体的には、電子親和力が1.0eV以下の材料がよい。また、高融点物質を母相絶縁体の材料として用いるのは、素子作成プロセスにおける熱処理に対して耐熱性に優れているということから好適である。 The material of the parent phase insulator can be selected from either a semiconductor or an insulator, but its electron affinity is as much as possible from the viewpoint of increasing the potential barrier against electrons trapped in the ultrafine particles and obtaining high charge retention capability. Small materials are preferred. Specifically, a material having an electron affinity of 1.0 eV or less is preferable. In addition, it is preferable to use a high-melting-point substance as a material for the parent phase insulator because it has excellent heat resistance against heat treatment in the element manufacturing process.
さらに、母相絶縁体として非晶質の材料を用いることは、以下の点で好適である。すなわち、超微粒子にトラップされた電子が母相絶縁体中をトンネル伝導によりリークする際に、母相絶縁体が結晶質であるよりも非晶質である方が、トンネル電子が母相絶縁体を構成する構成原子に散乱される確率が高くなるためである。この結果、電子のトンネル伝導による実効的なリーク量は低下することが期待される。また、母相絶縁体の融点も1,400℃以上であることが好ましい。母相絶縁体、超微粒子共に融点が1,400℃以上であると、半導体プロセスの熱処理においても超微粒子の粒成長を抑え、超微粒子の分散構造を保つことができる。 Furthermore, it is preferable to use an amorphous material as the parent phase insulator in the following points. That is, when electrons trapped in ultrafine particles leak through the parent phase insulator due to tunnel conduction, the tunnel electrons are more amorphous than the crystalline one when the parent phase insulator is crystalline. This is because the probability of being scattered by the constituent atoms constituting the is increased. As a result, it is expected that the effective amount of leakage due to electron tunneling is reduced. The melting point of the matrix insulator is preferably 1,400 ° C. or higher. When the melting point of the matrix insulator and the ultrafine particles is 1,400 ° C. or higher, the growth of the ultrafine particles can be suppressed even in the heat treatment of the semiconductor process, and the dispersion structure of the ultrafine particles can be maintained.
母相絶縁体として、具体的に、シリカ、アルミナ、チタニア、ムライト、コーディエライト、スピネル、ゼオライト、フォルステライトなどの酸化物、また炭化硼素(B4C)などの炭化物、窒化ケイ素や窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの窒化物、フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウムなどのフッ化物などを用いるのでも、これらのいずれか2つ以上の化合物を用いるのでもよい。 Specific examples of matrix insulators include oxides such as silica, alumina, titania, mullite, cordierite, spinel, zeolite, and forsterite, and carbides such as boron carbide (B 4 C), silicon nitride, and boron nitride. A nitride such as aluminum nitride, a fluoride such as magnesium fluoride or aluminum fluoride, or any two or more of these compounds may be used.
図3は、超微粒子3aに電子37が注入された状況のエネルギーダイヤグラムである。
図3(a)、(b)は、それぞれ、超微粒子3aとして金属、半導体を用いたときのエネルギーダイヤグラムである。超微粒子3aに電子が注入されたことによって、クーロンブロッケード作用により、超微粒子3aのエネルギーが上昇し、トンネル絶縁層2およびゲート間絶縁層4の伝導帯の底の準位35が傾斜し、超微粒子3aのフェルミ準位が半導体基板1のフェルミ準位より上昇している様子が示されている。
FIG. 3 is an energy diagram in a state where
FIGS. 3A and 3B are energy diagrams when a metal and a semiconductor are used as the
図3では、価電子帯の上端の準位が符号31、フェルミ準位が符号32、伝導帯の底の準位が符合33、金属の超微粒子のフェルミ準位が符号34、トンネル絶縁層2のエネルギー障壁の高さが符号36、超微粒子3aの伝導帯の底の準位が符合38で表されている。また、図3には、制御ゲート5として、ポリシリコン等の材料を用いた例が示されている。
In FIG. 3, the upper end level of the valence band is indicated by
スパッタリング法による電荷保持層3の形成の際、ターゲット組成および成膜条件を制御することにより、マトリックス相の領域中に成長する各超微粒子の平均粒子径を変化させることができる。特に、各超微粒子の平均粒子径は、分散相の部分とマトリックス相の部分との体積分率、および、スパッタリング時のArガス圧、基板温度等の成膜条件によって変化することが確認されている。
When forming the
具体的には、Co−SiO2系のターゲットを用いてSiO2絶縁体中にCo金属超微粒子が分散した膜を形成する場合、CoとSiO2の体積比を50:50にして0.5PaのArガス圧で成膜したときは、Coからなる超微粒子の粒径が約2nmであるのに対して、8PaのArガス圧で成膜したときは、Coからなる超微粒子の粒径が約5nmになることが確認されている。 Specifically, when forming a film in which Co metal ultrafine particles are dispersed in a SiO 2 insulator using a Co—SiO 2 target, the volume ratio of Co to SiO 2 is set to 50:50 and 0.5 Pa. When the film is formed at an Ar gas pressure of Co, the particle diameter of the ultrafine particles made of Co is about 2 nm, whereas when the film is formed at an Ar gas pressure of 8 Pa, the particle diameter of the ultrafine particles made of Co is It has been confirmed that the thickness is about 5 nm.
以上のことから、電荷保持層3として、仕事関数または電子親和力が4.2eV以上の材料からなる粒子径5nm以下の超微粒子3aを、電子親和力が1.0eV以下の非晶質の母相絶縁体中に分散させた膜を用いることにより、多くの電荷を独立分散して保持でき、かつ電子を保持する能力を向上させることができる。
From the above, as the
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶素子は、超微粒子の分散の密度、粒子径等の適正化がなされると共に、超微粒子および母相絶縁体を構成する材料の選択によるエネルギー障壁の高さの適正化がなされたため、従来の素子よりも電荷保持能力を向上させることができると共にトンネル絶縁層の膜厚を薄くすることが可能となり、データの書き込み動作および消去動作の速度の向上、ならびに、素子の微細化および高密度化に資することができる。 As described above, the nonvolatile semiconductor memory element according to the embodiment of the present invention is optimized for the dispersion density, particle diameter, etc. of the ultrafine particles, and the material constituting the ultrafine particles and the parent phase insulator. Since the height of the energy barrier has been optimized by selecting the device, the charge retention capability can be improved as compared to the conventional device, and the thickness of the tunnel insulating layer can be reduced. This can contribute to an increase in operation speed and miniaturization and high density of the device.
また、超微粒子3aとして、4.2eV以上の電子親和力を有する半導体材料を用いることができるとしたため、超微粒子として用いることができる材料の種類を拡大することができ、素子設計上の自由度を拡大できる。
In addition, since the semiconductor material having an electron affinity of 4.2 eV or more can be used as the
また、各超微粒子3aをなす物質の仕事関数と、半導体基板1の仕事関数との差の絶対値が、0.5eV以下としたため、超微粒子3aに電荷を注入する書き込み動作以前に半導体基板1から電荷が超微粒子3aに移動することを防止でき、情報の保持に役立たない電荷の超微粒子3aへの移動を防止できる。
In addition, since the absolute value of the difference between the work function of the substance forming each
また、各超微粒子3aをなす物質の仕事関数と、制御ゲート5の仕事関数との差の絶対値が、0.5eV以下としたため、超微粒子3aに電荷を注入する書き込み動作以前に制御ゲート5から電荷が超微粒子3aに移動することを防止でき、情報の保持に役立たない電荷の超微粒子3aへの移動を防止できる。
In addition, since the absolute value of the difference between the work function of the substance forming each
また、電荷保持層3の形成に物理的蒸着方法を用いる場合、物理的蒸着法は相分離を生じさせやすいため、不揮発性半導体記憶素子の電荷保持層を容易に作成できる。さらに、電荷保持層3の形成にスパッタリング法を用いる場合、スパッタリング法は、成膜材料を幅広く選択できること、緻密な膜を得易いこと、下地との密着性が高い膜が得られること、量産性に優れていることなどのため、不揮発性半導体記憶素子の電荷保持層を好適に製造できる。
Further, when a physical vapor deposition method is used for forming the
本発明の不揮発性半導体記憶素子のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。 Further features of the nonvolatile semiconductor memory element of the present invention will be specifically described with reference to the following examples.
本実施例の不揮発性半導体記憶素子について、図1を用いて説明する。トンネル絶縁層2は、p型の半導体基板1を酸素雰囲気中、800℃の温度で、5nmの膜厚になる処理時間、熱酸化して形成した。5nmの膜厚のトンネル絶縁層2を形成するための処理時間は、予め測定した処理時間と膜厚との関係に基づいて決定した。
The nonvolatile semiconductor memory element of this example will be described with reference to FIG. The
トンネル絶縁層2を形成した後、容量結合型マグネトロンスパッタリング法により、以下の要領で5nmの膜厚の電荷保持層3を形成した。電荷保持層3を構成する超微粒子3aの材料として5.0eVの仕事関数を有する金属Coを、母相絶縁体3bの材料として1.0eVの仕事関数を有するSiO2を選択した。スパッタリングのターゲットとしては、直径3インチ(7.62cm)のSiO2ターゲット上に5mm角のCoチップを置いたものを用いた。Coチップの量としては、ターゲットの垂直投影表面積のうちの20%をCoチップの面積が占める量とした。
After the
成膜に際し、スパッタリング装置の成膜室を5×10−4Paまで排気し、その後Arガスを導入し、成膜室のガス圧が0.5Paになるようにガス流量を調節した。200Wの高周波(13.56MHz)電力の入力によりプラズマを発生させた。上記の条件の下で超微粒子3aがCo、母相絶縁体3bがSiO2からなる膜(以下、Co−SiO2系電荷保持層という。)を成膜した。このようにして形成したCo−SiO2系電荷保持層をTEM(透過型電子顕微鏡)で観察した結果、アモルファスのSiO2の中に平均粒子径約2nmのCo結晶の超微粒子がおよそ8×1012/cm2の面密度で分散していることが確認された。
During film formation, the film formation chamber of the sputtering apparatus was evacuated to 5 × 10 −4 Pa, and then Ar gas was introduced, and the gas flow rate was adjusted so that the gas pressure in the film formation chamber was 0.5 Pa. Plasma was generated by inputting high-frequency (13.56 MHz) power of 200 W. Under the above conditions, a film (hereinafter, referred to as a Co—SiO 2 -based charge retention layer) in which the
Co−SiO2系電荷保持層の上にゲート間絶縁層4としてSiO2膜を形成した後、制御ゲート5としてタングステンナイトライド(W2N)およびタングステンをスパッタリング法により積層成膜した。その後、ハードマスクとして用いるSiO2膜を成膜した。ポジ型のフォトレジストをゲートエッチング用マスクとしてパターニングし、SiO2ハードマスクをエッチング後、さらに制御ゲート5であるタングステンおよびタングステンナイトライド、ゲート間絶縁層4、電荷保持層3をドライエッチングした。
An SiO 2 film was formed as the
その後、As(Pであってもよい)をイオン注入し、さらにアニール処理を行ってキャリアを活性化してソース領域6およびドレイン領域7を形成した。次に、保護膜を成膜し、保護膜の成膜後にコンタクトホールを形成し、ソース領域6、ドレイン領域7、制御ゲート5に接触するようにAl電極を形成した。
Thereafter, As (which may be P) is ion-implanted, and further annealing is performed to activate the carriers to form the
このようにして作成したCo−SiO2系電荷保持層を電荷保持層3とするメモリセルは、Siを超微粒子3aの材料として用いた各メモリセルと比較して、電荷保持時間が20年以上と極めて長いことが示された。なお、電荷保持時間は、測定結果を外挿により求めた。
The memory cell using the Co—SiO 2 -based charge retention layer thus prepared as the
本実施例2に係る不揮発性半導体記憶素子について、図2を用いて説明する。本実施例2では、半導体基板としてSOI(Silicon On Insulator)基板(以下、半導体基板21とする。)を用いた。図2において、半導体基板21は、基板1aと、基板1a上に設けられた膜厚100nmの埋め込み酸化膜1bと、埋め込み酸化膜1b上に設けられた膜厚50nmの埋め込みp型SOI層1cとによって構成される。
A nonvolatile semiconductor memory element according to Example 2 will be described with reference to FIG. In Example 2, an SOI (Silicon On Insulator) substrate (hereinafter referred to as a semiconductor substrate 21) was used as the semiconductor substrate. In FIG. 2, a
本実施例2に係る不揮発性半導体記憶素子は、メサ型の構造とすることによって素子間分離がなされ、ホウ素(B)注入によりゲート制御電圧のしきい値が調整されている。このようにして作成された不揮発性半導体記憶素子のp型SOI層1cの仕事関数は4.95eVと見積られた。その後、p型SOI層1c上にトンネル絶縁層2を形成した。このトンネル絶縁層2は、半導体基板21を800℃、酸素雰囲気中で熱酸化して得られたもので、膜厚は3nmである。
The nonvolatile semiconductor memory element according to Example 2 has a mesa structure to provide isolation between elements, and a gate control voltage threshold value is adjusted by boron (B) implantation. The work function of the p-
その後、超微粒子3a1、3a2と母相絶縁体3bとからなる電荷保持層23を、容量結合型マグネトロンスパッタリング法により、以下のように厚さ3nm形成した。超微粒子3a1、3a2の材料として4.7eVの仕事関数を有する金属Ru、母相絶縁体3bの材料として負の電子親和力を有するAlNを選択した。この場合、p型SOI基盤1cとRu超微粒子3a1、3a2との仕事関数差は0.25eVである。スパッタリングには、高純度Ruおよび高純度AlNの粉末を15:85の体積%の割合で混合したものを焼結させた焼結ターゲットを用いた。
Thereafter, a
成膜に際し、スパッタリング装置の成膜室を5×10−4Paまで排気し、その後Arガスを導入し、成膜室のガス圧が0.5Paになるようにガス流量を調節した。200Wの高周波(13.56MHz)電力の入力によりプラズマを発生させた。上記の条件の下で超微粒子3a1、3a2がRu、母相絶縁体3bがAlNからなる膜(以下、Ru−AlN系電荷保持層という。)を成膜した。
During film formation, the film formation chamber of the sputtering apparatus was evacuated to 5 × 10 −4 Pa, and then Ar gas was introduced, and the gas flow rate was adjusted so that the gas pressure in the film formation chamber was 0.5 Pa. Plasma was generated by inputting high-frequency (13.56 MHz) power of 200 W. Under the above conditions, a film (hereinafter, referred to as a Ru—AlN-based charge retention layer) in which the
次に、低圧CVDによって、Ru−AlN系電荷保持層の上にゲート間絶縁層4としてSiO2膜を形成した。次に、SiO2膜からなるゲート間絶縁層4上に、低圧CVD法により、多結晶Siを制御ゲート5として成膜した。その後、ポジ型のフォトレジストをゲートエッチング用マスクとして形成し、制御ゲート5である多結晶Si、ゲート間絶縁層4、および、電荷保持層23をドライエッチングした。
Next, a SiO 2 film was formed as an inter-gate
次に、Asイオンを低エネルギーで浅く注入して接合領域6a、7aを形成し、さらに、低圧CVDによりSiO2膜を成膜した。このSiO2膜を異方性エッチングすることにより、サイドウォール8を形成した。その後、Asイオンをやや深く注入しコンタクト領域6b、7bを形成し、RTA(Rapid Thermal Anneal)処理によりキャリアを活性化させて、接合領域6a、7aおよびコンタクト領域6b、7bからなるソース領域6、ドレイン領域7の形成した。次に、保護膜を成膜し、ソース領域6、ドレイン領域7、制御ゲート5との電気的接触を得るためのコンタクトホールを形成し、これらのコンタクトホールを介して、ソース領域6、ドレイン領域7、制御ゲート5に接触するようにAl電極を形成した。
Next, As ions were implanted shallowly with low energy to form the
本発明に係る不揮発性半導体記憶素子は、従来の素子よりも電荷保持能力を向上させることができると共にトンネル絶縁層の膜厚を薄くすることが可能となり、データの書き込み動作および消去動作の速度の向上、ならびに、素子の微細化および高密度化に資するという効果が有用な不揮発性半導体記憶素子およびその製造方法等の用途にも適用できる。 The nonvolatile semiconductor memory element according to the present invention can improve the charge retention capability as compared with the conventional element and can reduce the thickness of the tunnel insulating layer, and can increase the speed of data writing and erasing operations. It can also be applied to uses such as a nonvolatile semiconductor memory element and a method for manufacturing the same, which are useful in improving and contributing to miniaturization and higher density of the element.
1、21 半導体基板
1a 基板
1b 埋め込み酸化膜
1c SOI層
2 トンネル絶縁層
3、23、53 電荷保持層
3a、3a1、3a2 超微粒子
3b 母相絶縁体
4 ゲート間絶縁層
5 制御ゲート
6 ソース領域
6a、7a 接合領域
6b、7b コンタクト領域
7 ドレイン領域
8 サイドウォール
10、20 不揮発性半導体記憶素子
31 価電子帯の上端の準位
32、34 フェルミ準位
33、38 伝導帯の底の準位
35 絶縁体の伝導帯の底の準位
36 トンネル絶縁層のエネルギー障壁の高さ
37 超微粒子中の電子
40 MONOSメモリ
43a1 界面準位
43a2 トラップ準位
50 半導体記憶素子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記電荷保持層は、浮遊ゲートとして機能する単元素物質または化合物からなる粒子径が5nm以下の1個の超微粒子、または、1種類以上の前記単元素物質または前記化合物からなる、平均の粒子径が5nm以下で、1平方センチメートル当たり1012〜1014個の密度で独立分散した複数の超微粒子と、各前記超微粒子の一部または全部を取り囲む母相絶縁体とによって構成され、
各前記超微粒子は、仕事関数が4.2eV以上の良導体材料からなり、
前記母相絶縁体は、1.0eV以下の電子親和力を有する非晶質の物質からなることを特徴とする不揮発性半導体記憶素子。 A tunnel insulating layer formed on a semiconductor substrate and formed on a source region, a drain region, and a channel formation region for forming a channel between the source region and the drain region; and A charge retention layer that retains charges injected from the channel through the channel, an intergate insulating layer formed on the charge retention layer, and an electric charge retained in the charge retention layer formed on the intergate insulating layer In a non-volatile semiconductor memory device comprising a control gate for performing control to be released or released,
The charge retention layer has an average particle diameter of one ultrafine particle having a particle diameter of 5 nm or less made of a single element substance or compound functioning as a floating gate, or one or more kinds of the single element substance or compound. Is composed of a plurality of ultrafine particles independently dispersed at a density of 10 12 to 10 14 per square centimeter, and a matrix insulator surrounding a part or all of each of the ultra fine particles,
Each of the ultrafine particles is made of a good conductor material having a work function of 4.2 eV or more,
The nonvolatile semiconductor memory element, wherein the matrix insulator is made of an amorphous material having an electron affinity of 1.0 eV or less.
前記電荷保持層は、浮遊ゲートとして機能する単元素物質または化合物からなる粒子径が5nm以下の1個の超微粒子、または、1種類以上の前記単元素物質または前記化合物からなる、平均の粒子径が5nm以下で、1平方センチメートル当たり1012〜1014個の密度で独立分散した複数の超微粒子と、各前記超微粒子の一部または全部を取り囲む母相絶縁体とによって構成され、
各前記超微粒子は、電子親和力が4.2eV以上の半導体材料からなり、
前記母相絶縁体は、1.0eV以下の電子親和力を有する非晶質の物質からなることを特徴とする不揮発性半導体記憶素子。 A tunnel insulating layer formed on a semiconductor substrate and formed on a source region, a drain region, and a channel formation region for forming a channel between the source region and the drain region; and A charge retention layer that retains charges injected from the channel through the channel, an intergate insulating layer formed on the charge retention layer, and an electric charge retained in the charge retention layer formed on the intergate insulating layer In a non-volatile semiconductor memory device comprising a control gate for performing control to be released or released,
The charge retention layer has an average particle diameter of one ultrafine particle having a particle diameter of 5 nm or less made of a single element substance or compound functioning as a floating gate, or one or more kinds of the single element substance or compound. Is composed of a plurality of ultrafine particles independently dispersed at a density of 10 12 to 10 14 per square centimeter, and a matrix insulator surrounding a part or all of each of the ultra fine particles,
Each of the ultrafine particles is made of a semiconductor material having an electron affinity of 4.2 eV or more,
The nonvolatile semiconductor memory element, wherein the matrix insulator is made of an amorphous material having an electron affinity of 1.0 eV or less.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005030859A JP2005328029A (en) | 2004-04-16 | 2005-02-07 | Nonvolatile semiconductor storage element and method for manufacturing the same |
PCT/JP2005/007182 WO2005101488A1 (en) | 2004-04-16 | 2005-04-13 | Nonvolatile semiconductor storage element having high charge holding characteristics and method for fabricating the same |
EP05730478A EP1737033A4 (en) | 2004-04-16 | 2005-04-13 | Nonvolatile semiconductor storage element having high charge holding characteristics and method for fabricating the same |
TW094112103A TW200614435A (en) | 2004-04-16 | 2005-04-15 | Nonvolatile semiconductor storage element having high charge holding characteristics and method for fabricating the same |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004121837 | 2004-04-16 | ||
JP2005030859A JP2005328029A (en) | 2004-04-16 | 2005-02-07 | Nonvolatile semiconductor storage element and method for manufacturing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005328029A true JP2005328029A (en) | 2005-11-24 |
Family
ID=35474094
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005030859A Pending JP2005328029A (en) | 2004-04-16 | 2005-02-07 | Nonvolatile semiconductor storage element and method for manufacturing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005328029A (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100831976B1 (en) | 2007-07-05 | 2008-05-26 | 주식회사 하이닉스반도체 | A nonvolatile memory device and method for manufacturing the same |
JP2008218482A (en) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Fujitsu Ltd | Semiconductor memory |
US7999303B2 (en) | 2008-03-28 | 2011-08-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | NAND-type nonvolatile semiconductor memory device |
US8013380B2 (en) | 2007-09-25 | 2011-09-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Non-volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same |
KR101422330B1 (en) | 2011-01-13 | 2014-07-22 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | Semiconductor memory device |
WO2015033706A1 (en) * | 2013-09-04 | 2015-03-12 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Semiconductor element, method for manufacturing same, and semiconductor integrated circuit |
US9378962B2 (en) | 2012-03-19 | 2016-06-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nonvolatile semiconductor storage device having a charge storage layer that includes metal grains |
JP2020074392A (en) * | 2019-10-28 | 2020-05-14 | キオクシア株式会社 | Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method for the same |
-
2005
- 2005-02-07 JP JP2005030859A patent/JP2005328029A/en active Pending
Cited By (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008218482A (en) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Fujitsu Ltd | Semiconductor memory |
KR100831976B1 (en) | 2007-07-05 | 2008-05-26 | 주식회사 하이닉스반도체 | A nonvolatile memory device and method for manufacturing the same |
US8415736B2 (en) | 2007-09-25 | 2013-04-09 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Non-volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same |
US8013380B2 (en) | 2007-09-25 | 2011-09-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Non-volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same |
US8217444B2 (en) | 2007-09-25 | 2012-07-10 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Non-volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same |
US8546868B2 (en) | 2007-09-25 | 2013-10-01 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Non-volatile semiconductor memory device and method of manufacturing the same |
US8319271B2 (en) | 2008-03-28 | 2012-11-27 | Kabushiki Kaisha Toshiba | NAND-type nonvolatile semiconductor memory device |
US7999303B2 (en) | 2008-03-28 | 2011-08-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | NAND-type nonvolatile semiconductor memory device |
KR101422330B1 (en) | 2011-01-13 | 2014-07-22 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | Semiconductor memory device |
US9378962B2 (en) | 2012-03-19 | 2016-06-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nonvolatile semiconductor storage device having a charge storage layer that includes metal grains |
WO2015033706A1 (en) * | 2013-09-04 | 2015-03-12 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Semiconductor element, method for manufacturing same, and semiconductor integrated circuit |
JPWO2015033706A1 (en) * | 2013-09-04 | 2017-03-02 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Semiconductor device, manufacturing method thereof, and semiconductor integrated circuit |
US9711597B2 (en) | 2013-09-04 | 2017-07-18 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Semiconductor element, method for manufacturing same, and semiconductor integrated circuit |
JP2020074392A (en) * | 2019-10-28 | 2020-05-14 | キオクシア株式会社 | Nonvolatile semiconductor storage device and manufacturing method for the same |
JP7079762B2 (en) | 2019-10-28 | 2022-06-02 | キオクシア株式会社 | Non-volatile semiconductor storage device and its manufacturing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7355238B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device having nanoparticles for charge retention | |
JP4056817B2 (en) | Method for manufacturing nonvolatile semiconductor memory element | |
US10388667B2 (en) | Memory cells, integrated structures and memory arrays | |
JP2004055969A5 (en) | ||
US20040108537A1 (en) | Scalable nano-transistor and memory using back-side trapping | |
JP2005328029A (en) | Nonvolatile semiconductor storage element and method for manufacturing the same | |
US20060175656A1 (en) | Non-volatile memory devices | |
US8638614B2 (en) | Non-volatile memory device and MOSFET using graphene gate electrode | |
WO2005101488A1 (en) | Nonvolatile semiconductor storage element having high charge holding characteristics and method for fabricating the same | |
JP2005340768A (en) | Many-valued non-volatile semiconductor memory element and its manufacturing method | |
JP2006229223A (en) | Nonvolatile memory element and its manufacture | |
JP2001313342A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
JPWO2006059368A1 (en) | Semiconductor memory device and manufacturing method thereof | |
JP4492930B2 (en) | Charge storage memory and manufacturing method thereof | |
KR20070082509A (en) | Semiconductor memory device using alloy metal gate electrode | |
US20090108329A1 (en) | Non-volatile semiconductor device and method of fabricating the same | |
US20100044775A1 (en) | Semiconductor memory device and semiconductor device | |
KR100858085B1 (en) | Charge trap memory device using nanodot as charge trap site | |
KR20070022682A (en) | Nonvolatile semiconductor storage element having high charge holding characteristics and method for fabricating the same | |
JP2003347440A (en) | Semiconductor element | |
KR100716588B1 (en) | Fabrication method of non-volatile nano floating gate memory device with au nano-particles | |
KR101608886B1 (en) | Nonvolatile Memory Device | |
JP2004006882A (en) | Semiconductor element | |
JP2003318293A (en) | Semiconductor element | |
CN111863827A (en) | Memory structure and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080930 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090217 |