JP2008244163A - 不揮発性半導体メモリのメモリセル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の例に係るメモリセルは、ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,O,Nである電荷蓄積層と、電荷蓄積層上に形成され、第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを備える。また、第1絶縁膜の組成と電荷蓄積層の組成との関係は、(A) 第1絶縁膜の価電子帯バンドオフセットが電荷蓄積層の価電子帯バンドオフセットよりも大きく、かつ、(B) 電荷蓄積層内の酸素空孔によるトラップエネルギー準位が電荷蓄積層のバンドギャップ内に存在する、ことを条件に決定される。
【選択図】 図26
Description
本発明の例に係わる不揮発性半導体メモリのメモリセルでは、トンネル絶縁膜をシリコン酸窒化膜(SiON)から構成し、かつ、電荷蓄積層を窒素が添加された高誘電率(high-k)金属酸化物から構成する。このときの電荷蓄積層(high-k金属酸窒化物)の窒素濃度の最適化を行い、優れた性能と信頼性を有するMONOS型メモリセルを提供する。
まず、本発明の参考例について説明する。
同図(a)は、チャネル長方向に沿う断面図、同図(b)は、チャネル幅方向に沿う断面図である。これらの図において、チャネル長方向とは、ビット線が延びるカラム方向のことであり、チャネル幅方向とは、ワード線(コントロールゲート電極)が延びるロウ方向のことである。
本発明の原理について説明する。
A. トンネル絶縁膜の材料について
MONOS型メモリセルの性能を決める上で最も重要となるのは、トンネル絶縁膜の性質である。トンネル絶縁膜には、書き込み・消去を行う高電界領域(〜15MV/cm)で大きな電流を流し、かつ、データ保持を行う低電界領域(〜3.5MV/cm)でリーク電流が極めて小さい、という性質が求められる。また、メモリセルの微細化に伴って、トンネル絶縁膜の電気的膜厚(EOT)の低減も重要になっている。
横軸は、実効電界(SiO2換算電界)であり、縦軸は、リーク電流Jgである。
シリコン酸窒化膜の組成は、(SiO2)x(Si3N4)1-xとし、組成比xは、x = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 の4つとした。また、4つのサンプルの電気的膜厚(EOT)は、すべて3nmとした。
まず、トンネル絶縁膜をシリコン酸窒化膜とする場合の電子物性について考える。
以下では、これまでの定性的原理の説明をトンネル絶縁膜及び電荷蓄積層を構成する材料の組成と結びつけるために定量的原理の説明を行う。
シリコン酸窒化膜の組成とバンドオフセットとは、例えば、非特許文献3の図8を参照すると、以下の関係にある。
・ 価電子帯バンドオフセットのシリコン酸窒化膜の組成に対する依存性が大きい。
・ 窒素濃度の増加に伴い、価電子帯バンドオフセットが減少する。但し、伝導帯バンドオフセットは、大きく変化しない。
ここでは、トンネル絶縁膜(第1絶縁膜)としてのシリコン酸窒化膜 (SiO2)x(Si3N4)1-xの組成比xを測定量から決める方法について説明する。
O: 2x/(7-4x)×100 (%) …(b)
N: 4(1-x)/(7-4x)×100 (%) …(c)
尚、非特許文献6のFig.5では、これらの式で表されるSi、O、N原子のパーセント濃度を組成比xの関数として図示している。
次に、電荷蓄積層がハフニウム酸窒化膜である場合の価電子帯バンドオフセットと組成比との関係の定式化を行う。
ここで、ハフニウム窒化膜の組成は、金属材料としての HfN ではなく、絶縁物としての Hf3N4 である。
次に、電荷蓄積層がハフニウム酸窒化膜(HfON)の場合について、酸素空孔欠陥のエネルギー準位が窒素濃度に対してどのように依存するかを考察する。
[N]/([Hf]+[O]+[N]) = 4(1-y)/(7-4y)
で表される。
ここでは、電荷蓄積層としてのHfON膜 (HfO2) y(Hf3N4)1-yの組成比yを測定量から決定する方法について述べる。
O: 2y/(7-4y)×100 (%) …(e)
N: 4(1-y)/(7-4y)×100 (%) …(f)
逆に、ある測定法で、Hf、O、Nのいずれかの原子のパーセント濃度が分かれば、(d), (e), (f)式のいずれかを用いて、HfON膜の組成比yを導出できる。
次に、電荷蓄積層が酸窒化ハフニウム・アルミネートの場合の価電子帯バンドオフセットについて議論する。
[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y [(Al2O3)x(AlN)1-x]1-y
で表せる。
次に、酸窒化ハフニウム・アルミネート内の酸素空孔に起因するトラップエネルギー準位について検討する。
[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y[(Al2O3)x(AlN)1-x]1-y
と表される。
ここでは、4元系絶縁材料[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y [(Al2O3)x(AlN)1-x]1-yの組成比(x,y)を実験的に評価可能な量から導出する方法を示す。
次に、酸窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)の価電子帯バンドオフセットについて検討する。
[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y [(SiO2)x(Si3N4)1-x]1-y
と表すことができる。
次に、酸窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)内の酸素空孔に起因するトラップ準位について検討する。
[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y [(SiO2)x(Si3N4)1-x]1-y
と表される。
Et(HfON)=2.0-2.4*7(1-x)/(7-4x) (eV)
と表されることは、(8)式と同様である。
次に、4元系絶縁材料[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y [(SiO2)x(Si3N4)1-x]1-yの組成比(x,y)を実験的に評価可能な量から導出する方法を示す。
以上の定量化に基づいて、本発明におけるトンネル絶縁膜と電荷蓄積層の望ましい組成範囲を以下に示す。
トンネル絶縁膜としてのシリコン酸窒化膜の価電子帯バンドオフセットに関する(1),(2)式と、電荷蓄積層としてのハフニウム酸窒化膜の価電子帯バンドオフセットに関する(4),(5)式とを用いて、
価電子帯バンドオフセットの満たすべき関係式 φv(SiON)>φv(HfON)を導入すると、シリコン酸窒化膜(SiO2)x(Si3N4)1-xの組成xと、ハフニウム酸窒化膜(HfO2)y(Hf3N4)1-yの組成yとが満たすべき関係式は、
酸化度を表す組成指標x及びHfを含む絶縁材料としての組成指標yとを用いて、HfAlONの膜組成を、[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y [(Al2O3)x(AlN)1-x]1-yと表したとき、酸素空孔欠陥のエネルギー準位Et(HfAlON)は、(17)式で与えられる。
酸化度を表す組成指標x及びHfを含む絶縁材料としての組成指標yを用いて、HfSiONの膜組成を、[(HfO2)x(Hf3N4)1-x]y [(SiO2)x(Si3N4)1-x]1-yと表したとき、酸素空孔欠陥のエネルギー準位Et(HfSiON)は、(31)式で与えられる。
次に、トンネル絶縁膜としてのSiON膜の望ましい組成範囲について検討する。
Si原子は、4配位、酸素原子は、2配位、窒素原子は、3配位である。
ここまでに述べた本発明の原理に基づいて、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図25は、第1実施の形態に係わるメモリセルを示している。
同図(a)は、チャネル長方向に沿う断面図、同図(b)は、チャネル幅方向に沿う断面図である。また。図26は、図25(a)の構造を詳細に示している。
図27〜図31において、(a)は、チャネル長方向に沿う断面図、(b)は、チャネル幅方向に沿う断面図である。
第2実施の形態は、第1実施の形態の変形例である。
このメモリセルが第1実施の形態のメモリセルと異なる点は、ブロック絶縁膜204として、いわゆる“higher-k”絶縁材料としてのランタン・ハフニア膜(La2Hf2O7)を用いたことにある。
第3実施の形態も、第1実施の形態の変形例である。
この変形例では、トンネル絶縁膜102としてのシリコン酸窒化膜について、その組成をシリコン窒化膜寄りにすると共に、それに応じて、電荷蓄積層103としてのHfONについても窒素濃度を高くする。
図34は、第4実施の形態に係わるメモリセルを示している。
このメモリセルが第1の実施の形態のメモリセルと異なる点は、電荷蓄積層として酸窒化ハフニウム・アルミネート膜を用いたことにある。
第5実施の形態は、第4実施の形態の変形例である。
このメモリセルが第4の実施の形態のメモリセルと異なる点は、トンネル絶縁膜102及び電荷蓄積層403の組成比が異なること、さらに、ブロック絶縁膜504としてのランタン・アルミネート膜に微量のSiを導入したことにある。
図36は、第6実施の形態に係わるメモリセルを示している。
このメモリセルが第4の実施の形態のメモリセルと異なる点は、電荷蓄積層503として酸窒化ハフニウム・シリケートを用いたことにある。また、ブロック絶縁膜104としては、アルミナ膜を使用する。
図37は、第7実施の形態に係わるメモリセルを示している。
このメモリセルが第6の実施の形態のメモリセルと異なる点は、電荷蓄積層503としての酸窒化ハフニウム・シリケート膜とブロック絶縁膜104としてのアルミナ膜との間に、極薄のハフニウム・シリケート膜を導入したことにある。
次に、図5の模式図で説明した概念内容が、メモリセルの消去特性の違いとしてどのように現われるかについて具体的に示す。
本発明の例は、電荷蓄積層が絶縁膜から構成されるメモリセルを有する不揮発性半導体メモリ、その中でも特に、NAND型の素子構成をしたフラッシュメモリに有効である。
本発明の例は、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。
Claims (13)
- 半導体基板の表面部に離間して形成されたソース・ドレイン拡散層と、
前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,O,Nである電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成され、前記第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを具備し、
前記第1絶縁膜の組成と前記電荷蓄積層の組成との関係は、
(A) 前記第1絶縁膜の価電子帯バンドオフセットが前記電荷蓄積層の価電子帯バンドオフセットよりも大きく、かつ、(B) 前記電荷蓄積層内の酸素空孔による電子のトラップエネルギー準位が前記電荷蓄積層のバンドギャップ内に存在する、
ことを条件に決定されることを特徴とする不揮発性半導体メモリのメモリセル。 - 半導体基板の表面部に離間して形成されたソース・ドレイン拡散層と、
前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,O,Nである電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成され、前記第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを具備し、
前記第1絶縁膜の組成を(SiO2)x(Si3N4)1-x(但し、0 < x < 1)とし、前記電荷蓄積層の組成を(HfO2)y(Hf3N4)1-y(但し、0 < y < 1)とし、また、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ハフニウム酸化膜、ハフニウム窒化膜の価電子帯バンドオフセットをそれぞれ
φv(SiO2)、φv(Si3N4)、φv(HfO2)、φv(Hf3N4)と表した場合、
ハフニウム酸化膜、ハフニウム窒化膜における酸素空孔によるエネルギー準位を、それぞれの伝導帯の端部を基準点としてバンドギャップ内の方向を正の向きとして評価したものをEt(HfO2), Et(Hf3N4)と表した場合に、前記電荷蓄積層の組成yが
- 半導体基板の表面部に離間して形成されたソース・ドレイン拡散層と、
前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,O,Nである電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成され、前記第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを具備し、
前記第1絶縁膜の組成を(SiO2)x(Si3N4)1-x(但し、0 < x < 1)と表し、前記電荷蓄積層の組成を(HfO2)y(Hf3N4)1-y(但し、0 < y < 1)と表した場合、
y<7(1-w)/(7-4w) [但し、0 < x < 1, 0 < y < 1]
の範囲にあることを特徴とし、かつ、
前記電荷蓄積層の組成yが
y>0.32
を満たす範囲にあることを特徴とする不揮発性半導体メモリのメモリセル。 - 前記第1絶縁膜の組成(SiO2)x(Si3N4)1-xにおいて、x ≦ 0.75であることを特徴とする請求項2又は3に記載の不揮発性半導体メモリのメモリセル。
- 前記第1絶縁膜の組成(SiO2)x(Si3N4)1-xにおいて、x ≧ 0.75であることを特徴とする請求項2又は3に記載の不揮発性半導体メモリのメモリセル。
- 半導体基板の表面部に離間して形成されたソース・ドレイン拡散層と、
前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,Al,O,Nである電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成され、前記第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを具備し、
前記第1絶縁膜の組成と前記電荷蓄積層の組成との関係は、
(A) 前記第1絶縁膜の価電子帯バンドオフセットが前記電荷蓄積層の価電子帯バンドオフセットよりも大きく、かつ、(B) 前記電荷蓄積層内の酸素空孔による電子のトラップエネルギー準位が前記電荷蓄積層のバンドギャップ内に存在する、
ことを条件に決定されることを特徴とする不揮発性半導体メモリのメモリセル。 - 半導体基板の表面部に離間して形成されたソース・ドレイン拡散層と、
前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,Al,O,Nである電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成され、前記第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを具備し、
前記電荷蓄積層のAlとHfの原子数比をRah = [Al]/[Hf]、また、前記電荷蓄積層のNとOの原子数比をRno = [N]/[O]と定義したときに、
前記第1絶縁膜の組成を(SiO2)z(Si3N4)1-zと表した場合の前記第1絶縁膜の価電子帯バンドオフセットに関する指標
前記電荷蓄積層の組成x, yから得られる前記電荷蓄積層内の酸素空孔欠陥のエネルギー準位
- 前記第1絶縁膜の組成(SiO2)z(Si3N4)1-zにおいて、z ≦ 0.75であることを特徴とする請求項7に記載の不揮発性半導体メモリのメモリセル。
- 前記第1絶縁膜の組成(SiO2)z(Si3N4)1-zにおいて、z ≧ 0.75であることを特徴とする請求項7に記載の不揮発性半導体メモリのメモリセル。
- 半導体基板の表面部に離間して形成されたソース・ドレイン拡散層と、
前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,Si,O,Nである電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成され、前記第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを具備し、
前記第1絶縁膜の組成と前記電荷蓄積層の組成との関係は、
(A) 前記第1絶縁膜の価電子帯バンドオフセットが前記電荷蓄積層の価電子帯バンドオフセットよりも大きく、かつ、(B) 前記電荷蓄積層内の酸素空孔による電子のトラップエネルギー準位が前記電荷蓄積層のバンドギャップ内に存在する、
ことを条件に決定されることを特徴とする不揮発性半導体メモリのメモリセル。 - 半導体基板の表面部に離間して形成されたソース・ドレイン拡散層と、
前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上に形成され、主たる構成元素がSi,O,Nである第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、主たる構成元素がHf,Si,O,Nである電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成され、前記第1絶縁膜より高い誘電率を持つ第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された制御ゲート電極とを具備し、
前記電荷蓄積層のSiとHfの原子数比をRsh = [Si]/[Hf]と定義し、また、前記電荷蓄積層のNとOの原子数比をRno = [N]/[O]と定義したときに、
前記電荷蓄積層の、Hf系絶縁膜材料としての組成指標:
前記電荷蓄積層の組成指標x, yから得られる酸素空孔欠陥のエネルギー準位に関する指標
- 前記第1絶縁膜の組成(SiO2)z(Si3N4)1-zにおいて、z ≦ 0.75であることを特徴とする請求項11に記載の不揮発性半導体メモリのメモリセル。
- 前記第1絶縁膜の組成(SiO2)z(Si3N4)1-zにおいて、z ≧ 0.75であることを特徴とする請求項11に記載の不揮発性半導体メモリのメモリセル。
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