JP2008544526A - High−K誘電体における正孔トラップを用いるメモリ - Google Patents
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Abstract
ゲート誘電体を備えるメモリセルを有する不揮発性メモリが記載される。ゲート誘電体は、トランジスタのコントロールゲートとチャネル領域との間の、正に帯電した正孔をトラップする多層電荷トラップ誘電体である。多層電荷トラップ誘電体は、少なくとも1つのHigh−K(高誘電体定数)層を含む。
【選択図】図3
【選択図】図3
Description
本発明は、不揮発性メモリデバイス、およびより詳細には、正孔トラッピングメモリデバイスに関する。
フラッシュメモリは不揮発性であり、不揮発性とは、メモリがチップの情報を保持するために電力を必要としない方法で半導体上に情報を保存することを意味する。フラッシュメモリは、基本的にはゲートとソース/ドレイン端子との間に浮遊する付加的な導体を備えた相補型金属酸化物半導体(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)(CMOS)の電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)(FET)である、フローティングゲートアバランシェ金属酸化物半導体(Floating−Gate Avalanche−Injection Metal Oxide Semiconductor)(FAMOSトランジスタ)に基づく。現在のフラッシュメモリデバイスは2種類の型、NORフラッシュおよびNANDフラッシュで作られている。それらの名称は記憶セルアレイに用いられる論理をさす。さらに、フラッシュメモリは、「セル」と呼ばれるトランジスタのアレイに情報を記憶し、その各々は従来より1ビット以上の情報を記憶する。
フラッシュセルは、それがゲートを1つだけではなく2つ有することを除いて、標準的な金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semi−conductor Field Effect Transistor)(MOSFET)トランジスタに似ている。1つのゲートは、その他のMOSトランジスタのものと同じコントロールゲート(CG)であるが、2番目のゲートは酸化物層により周囲が全て絶縁されているフローティングゲート(FG)である。FGはCGと基板との間にある。FGはその絶縁酸化物層により分離されているので、その上に位置する電子はいずれもそこで捕獲され、このようにして情報を記憶する。
電子がFG上で捕獲される場合、その電子はCGから生じる電場を変更し(部分的に相殺する)、それによってセルの閾値電圧(Vt)が変更される。従って、CGに特定の電圧を印加することによりセルが「読み出される」場合、電流はセルのVtに応じてセルのソースとドレインの接続の間を流れたり、流れなかったりする。この電流の存在または不在が検知され、1または0へ変換されて、記憶したデータが再生される。
異なる不揮発性メモリである、ニトライディドリードオンリーメモリ(Nitrided Read Only Memory)(NROM)は、酸化物−窒化物−酸化物(ONO)ゲート誘電体の固有の物理的特徴、およびプログラムと消去操作の既知メカニズムを利用して、2つの別個の物理ビットをセルごとに作り出す。NROMセルは局在する負電荷トラッピングに基づく。セルは、ゲート誘電体がONOスタックに置き換えられているn−チャネルMOSFETデバイスである。2つの空間的に分離された狭い電荷分布は接合エッジの上の窒化物層で記憶される。NROMセルは、チャネルホットエレクトロン注入によりプログラムされる。
NROMメモリデバイスは、低いプログラム電圧、優れた拡張性、および改良されたサイクル耐久性を含む、従来からのフローティングゲートフラッシュデバイスに優るその利点により大きな注目を集めた。NROMセルの利点は、直接トンネリングの阻害に起因する垂直保持損失がごく僅かであることである。さらに、フローティングゲート技術において、電子電荷は導電層に蓄えられ、ゲートの下での微細な酸化物の欠損または酸化物捕獲電荷はいずれも、蓄積された電荷全ての漏れおよび損失をもたらしうる。しかし、NROM技術は、窒化物絶縁体を保持材料として用い、それ故に(セルサイズに対応する)酸化物の大きな欠陥があるときのみ保持力を低下させる。
以下の本発明の詳細な説明では、本明細書の一部をなす付属図面が参照され、その図面には、例として本発明が実践されうる異なる実施形態が示される。これらの実施形態は当業者が本発明を実践することができるように十分詳細に説明される。その他の実施形態を利用してもよく、本発明の範囲を逸脱することなく構造的、論理的、および電気的変形を行ってもよい。
以下の説明で用いられるウエハおよび基板という用語には、例えば集積回路(IC)構造を形成するために、その上に本発明に従って層が堆積される、露出している表面を有する任意の構造が含まれる。基板という用語には、半導体ウエハが含まれるものと理解される。また、基板という用語は加工中の半導体構造をさすために用いられ、基板にはその上に製造加工されたその他の層が含まれうる。ウエハと基板の双方にはドープ半導体および非ドープ半導体、ベース半導体または絶縁体に支持されるエピタキシャル半導体層、ならびにその他の半導体構造が含まれる。導体という用語には、半導体が含まれるものと理解され、絶縁体という用語には、導体と呼ばれる材料よりも導電性の低い任意の材料が含まれると定義される。
当業者に認められるように、本明細書に記載される種類のメモリデバイスは、一般的に様々な半導体デバイスを含む集積回路として加工される。集積回路は基板に支持される。集積回路は、一般に各基板上で複数回反復される。当技術分野で周知のように、基板はさらに集積回路をダイスに分けるために加工される。
上に、下に、横に、および隣接するなどの相対語は、具体的な座標系に限定されない。これらの用語は部品間の相対的な位置を説明するために用いられ、制限を意図するものではない。そのようなものとして、付加的な部品は、部品の相互間で上に、下に、横に、および隣接して位置付けることができる。さらに、詳細な説明の理解を容易にするために図表が提供されるが、それらの図表は正確な尺度を意図するものでなく、簡略化されている。
以下の詳細な説明は、従って、限定する意味にとられるものではなく、本発明の範囲は、かかる請求項により権利の与えられた同等物の全範囲とともに、添付の請求項によってのみ定義される。
図1は、本発明の実施形態に従う集積回路メモリデバイス100の簡略化されたブロック図である。メモリデバイス100には、不揮発性メモリセルアレイ102、アドレス回路104、制御回路110、および入出力(I/O)回路114が含まれる。
メモリデバイス100は、プロセッサ120、またはメモリアレイ102にアクセスするためのその他のメモリコントローラと連結することができる。プロセッサ120と連結されたメモリデバイス100は電子システムの一部分を形成する。電子システムの一部の例としては、パーソナルコンピューター、周辺デバイス、無線デバイス、デジタルカメラ、携帯情報端末(PDA)およびオーディオレコーダーが含まれる。
メモリデバイス100は、プロセッサ120から制御線122を渡って制御信号を受取り、制御回路110を経由するメモリアレイ102へのアクセスを制御する。メモリアレイ102へのアクセスは、アドレス線124を通って受取ったアドレス信号に応えて1つ以上の対象メモリセルに向けられる。一度、制御信号およびアドレス信号に対してアレイがアクセスされると、データがメモリセルからデータ(DQ)線126を通って書き込まれるかまたは読み出される。
当業者には、付加的な回路および制御信号が提供され得ること、および図1のメモリデバイスが本発明の説明に重点を置くことを助けるために簡略化されていることが理解される。上記のメモリデバイスの説明がメモリの一般的な理解をもたらすことを意図するものであって、典型的なメモリデバイスの全ての要素および特徴を完全に説明するものでないことは理解される。
本発明の実施形態において、ゲート絶縁体で正孔を捕獲する、高誘電体定数、High−Kのゲート絶縁体を備えるp−チャネルMOSFETがメモリデバイスとして提供される。プログラミングは、トランジスタチャネルからのホットホール注入、電場で加速された光生成された正孔、埋め込まれたpn接合によりデバイスに注入された正孔、またはゲート絶縁体と基板の界面でゲートからトンネリングして出てきた高エネルギー電子により生じた正孔により、達成され得る。データはトランジスタを順方向に動作することにより、または正孔がドレインのすぐ近くにのみ注入される場合に、トランジスタを逆方向に動作することにより読み出すことができる。
High−K(高誘電体定数)誘電体の正孔をプログラムする別の方法を本発明に用いてよい。利用できるプログラミング技術の多くが当技術分野で周知であり、下記に手短に説明される。簡単にするために、制御回路110は、本明細書において、少なくとも1つのHigh−K(高誘電体定数)誘電体の層への正孔注入により多層電荷トラップ誘電体をプログラムするためのプログラム回路を包含するものと見なされる。
メモリ技術およびホットホール注入としてゲート酸化物での正孔トラッピングを用いる、p−チャネルMOSFETに基づくフラッシュメモリが公知である。さらに、ヒューズおよびアンチヒューズデバイスで用いる正孔トラッピングが記載されている。かかるメモリおよび構造では、シリコン基板からの正孔は、大きな負のゲート電圧、チャネルからのホットホール注入、または光により生成される。
図2は、先行技術の基板200中の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)の簡略化された断面を表す。MOSFETには、ソース領域202、ドレイン領域204、および基板200中のソース領域202とドレイン領域204との間のチャネル領域206が含まれる。ゲート208はゲート酸化物210によってチャネル領域206から隔てられる。ソース線212はソース領域202に連結されている。
メモリデバイスにおいて、ビット線導体214はドレイン領域204に連結されている。ワード線導体216は、ゲート208に連結されている。従来の処理では、ドレインからソースへの電圧電位(Vds)をドレイン領域204とソース領域202の間に設定する。次に、負の電圧電位をワード線216を介してゲート208に印加する。ゲートに印加された負の電圧電位が一度MOSFETの特徴的な電圧閾値(Vt)を超えれば、チャネル206が基板200中のドレイン領域204とソース領域202の間に形成される。チャネル206の形成によってドレイン領域204とソース領域202の間の伝導が可能となり、電流(Ids)がドレイン領域204で検出され得る。
従来の図2のMOSFETの動作の間、ドレイン領域204の近傍のゲート酸化物210で捕獲される正孔に起因して正方向に動作するMOSFET用に、デバイスドレイン電流の何らかの変更をプログラムすることができる。これは、トランジスタがゲート電圧Vgsの近くのドレイン電圧Vdsで作動する場合、ホットホール注入により達成することができる。
しかし、この場合、正孔はドレイン領域204の近くで捕獲されるので、それらはMOSFETの特性を変更するにはあまり効果的ではない。それらは、NROMデバイスの読み出しのように、トランジスタが読み出しサイクル中に逆方向で動作する場合にのみ効果的である。そのようなものとして、先行技術のホットホール注入を本発明の実施形態とともに用いてよい。
あるいは、十分に大きな負のゲートバイアス電圧を印加して、ゲートからトンネル電子をもたらしてゲート絶縁体のバンドギャップエネルギーを超えるために十分なエネルギーを得てもよい。結果として、活性化された正孔−電子対がシリコン基板中に生成され、正孔は、絶縁体と基板との界面の障壁を克服するために十分なエネルギーを有する。
次に、正孔が基板からゲート誘電体へ注入され、正孔はそこで捕獲されて留まる。p−チャネルMOSFETの閾値電圧の大きな変動が結果として生じる。デバイスは、その後、正のゲートバイアス電圧を印加することによりリセットすることができる。ホットホール注入によりゲート酸化物に生じた正電荷をアバランシェ電子注入により消去することができることは当技術分野で公知である。
正孔を注入する別の先行技術の方法は、入射光線を与えて電子正孔対を生成することである。正孔はゲート絶縁体または酸化物へと加速され、ゲート絶縁体で捕獲される。捕獲された正電荷は結果的にデバイスドレイン電流の変化をもたらし、メモリ効果またはメモリデバイスとして用いられ得る。これは、トランジスタがVgsの近くのドレイン電圧で作動する場合、ホットホール注入により達成することができる。消去は、ゲート電圧Vgsよりもはるかに大きなドレイン電圧Vdsで作動するホットエレクトロン注入により達成される。
図3は、本発明の一実施形態に従う、バイポーラ(pnp)トランジスタ的構造を有する半導体デバイスを表し、それにより均一な正孔注入が可能となる。このデバイスには、ソース領域302、ドレイン領域304、バックゲート領域306、および基板300中のソース領域302とドレイン領域304との間のチャネル領域308が含まれる。ゲート310は多層ゲート誘電体312によりチャネル領域308から隔てられている。ゲート誘電体は、下記に説明されるように、少なくとも1つのHigh−K誘電体層を含む。ソース線314は、ソース領域302に連結されている。ビット線導体316は、ドレイン領域304に連結されている。ワード線導体318は、ゲート310に連結されている。端子320は、バックゲート領域306に連結されている。バックゲート306は基板300とのpn接合を形成する。
正の電圧Vebをバックゲート領域306に端子320を通じて印加し、負の電圧をゲート310にワード線318を通じて印加する場合、正孔はバックゲート領域のpn接合からゲート絶縁体312へ注入される。この効果は図3に表され、この効果の結果としてデバイス閾値電圧の変化がもたらされる。
用いるプログラミング法に関わらず、本発明の実施形態はゲート誘電体の中のHigh−K(高誘電体定数)誘電体を用いて正に帯電した正孔を捕獲する。本実施形態のためには、High−K誘電体は、窒化珪素の誘電率よりも大きな誘電率(すなわち、k≧7)をもつ誘電体と定義される。
図4は、本発明の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)メモリセルの簡略化された断面を表す。メモリセルは基板400に形成されている。セルには、ソース領域402、ドレイン領域404、および基板400中のソース領域402とドレイン領域404との間のチャネル領域406が含まれる。ゲート408は多層ゲート誘電体410によりチャネル領域406から隔てられている。誘電体層には、1つ以上のHigh−K誘電体材料の層が含まれる。
ソース線412は、ソース領域402に連結されている。メモリデバイスでは、ビット線導体414は、ドレイン領域404に連結されている。ワード線導体416は、ゲート408に連結されている。
High−K(高誘電体定数)誘電体はバンドギャップエネルギーが小さく、正孔をゲート絶縁体410に注入するために低い電圧を必要とする。これらのHigh−K誘電体は、用いる材料に応じて、酸化、化学気相成長(CVD)、蒸発、または原子層堆積法(ALD)により形成された複合層であるか、またはナノ積層体(nanolaminates)である可能性がある。High−K誘電体のバンドギャップエネルギーは、誘電率が高くなるにつれて小さくなる。
本発明のゲート誘電体の例となるHigh−K誘電体には、2つの酸化物層の間のHigh−K誘電体が含まれる。複合ゲート絶縁体中のHigh−K誘電体層は、表1および関連製作技術から選択することができる。
本発明のゲート誘電体のさらなる例には、酸化物−窒化物−High−K誘電体複合層ゲート絶縁体が含まれる。複合ゲート絶縁体中のHigh−K誘電体層は、ALD形成されたAl2O3、HfO2またはZrO2から選択することができる。
本発明のゲート誘電体のさらなる例には、High−K誘電体の3つの積層が含まれる。複合ゲート絶縁体中のHigh−K誘電体層は、ALDにより形成された表2の誘電体から選択することができる。
本発明のゲート誘電体のさらなる例には、2つのALD形成されたランタニド(Pr、Ne、Sm、GdおよびDy)酸化物層の間で蒸発したHfO2を含む、成形されたHigh−K − High−K − High−K誘電体複合層ゲート絶縁体が含まれる。
Claims (25)
- トランジスタ本体領域内に位置するソース領域およびドレイン領域であり、前記ソース領域およびドレイン領域は横方向に間隔が置かれ、その間にチャネル領域を作り、
チャネル領域から分離されていて、チャネル領域の上に垂直に位置するコントロールゲートと、
正に帯電した正孔を捕獲するための、コントロールゲートとチャネル領域の間の多層電荷トラップ誘電体を含み、前記多層電荷トラップ誘電体は、7よりも大きい誘電率(K)を有するHigh−K誘電体の少なくとも1つの層を含む、不揮発性メモリ。 - 前記High−K誘電体の層への正孔注入により多層電荷トラップ誘電体をプログラムするためのプログラム回路を含む、請求項1に記載の不揮発性メモリ。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が第1および第2の酸化物層の間に位置する前記High−K誘電体層を含む、請求項2に記載の不揮発性メモリ。
- 記載なし。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が、酸化物層と、窒化物層と前記High−K誘電体層とを含む、請求項1に記載の不揮発性メモリ。
- 前記High−K誘電体層が、Al2O3、HfO2またはZrO2から選択される、請求項5に記載の不揮発性メモリ。
- 前記High−K誘電体層が原子層堆積法を用いて形成される、請求項6に記載の不揮発性メモリ。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が、第1、第2および第3のHigh−K誘電体層を含む、請求項1に記載の不揮発性メモリ。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が、第1および第2のHfO2層の間に位置するTa2O5の層を含む、請求項8に記載の不揮発性メモリ。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が、第1および第2のLa2O3層の間に位置するHfO2の層を含む、請求項8に記載の不揮発性メモリ。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が、第1および第2のHfO2層の間に位置するZrO2の層を含む、請求項8に記載の不揮発性メモリ。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が、第1および第2のランタニド酸化物層の間に位置するZrO2の層を含む、請求項8に記載の不揮発性メモリ。
- 前記多層電荷トラップ誘電体が、第1および第2のランタニド酸化物層の間に位置するHfO2の層を含む、請求項8に記載の不揮発性メモリ。
- チャネル領域の下に位置する別個のバイポーラ接合をさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の不揮発性メモリ。
- 正孔を捕獲するメモリアレイと、書き込み操作中にメモリセルにデータを書き込むための書き込み回路とをさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の不揮発性メモリ。
- 前記High−K誘電体層への正孔注入が、前記チャネル領域からのホットホール注入を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の不揮発性メモリ。
- 前記High−K誘電体層への正孔注入が、電場で加速された光生成された正孔を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の不揮発性メモリ。
- 前記High−K誘電体層への正孔注入が、前記トランジスタチャネル領域の下に位置するpn接合を通じて注入された正孔を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の不揮発性メモリ。
- 前記High−K誘電体層が、前記多層誘電体と前記コントロールゲートの界面で前記コントロールゲートからトンネリングして出てきた電子により生じた正孔を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の不揮発性メモリ。
- 前記High−K誘電体層が、HfO2、ZrO2、ZrSnTiO、ZrON、ZrAlO、ZrTiO4、Al2O3、La2O3、LaAlO3、HfAlO3、HfSiON、Y2O3、Gd2O3、Ta2O5、TiO2、Pr2O3、CrTiO3およびYSiOの群から選択される、先行する請求項のいずれか一項に記載の不揮発性メモリ。
- 不揮発性メモリトランジスタのプログラミング方法であって、
正に帯電した正孔を、トランジスタのコントロールゲートとチャネル領域の間に位置する多層誘電体に注入し、前記多層誘電体は7より大きい誘電率(K)を有する少なくとも1つのHigh−K誘電体層を含むステップと、
前記High−K誘電体層において前記正に帯電した正孔を捕獲するステップとを含む方法。 - 前記正に帯電した正孔の注入が、前記チャネル領域からのホットホール注入を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記正に帯電した正孔の注入が、電場で加速された光生成された正孔を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記正に帯電した正孔の注入が、前記トランジスタチャネル領域の下に位置するpn接合を通じての正孔注入を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記正に帯電した正孔の注入が、前記多層誘電体と前記コントロールゲートの界面での前記コントロールゲートからトンネリングして出てきた電子による正孔の生成を含む、請求項21に記載の方法。
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