JP2009054868A - 不揮発性半導体メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の例に係る不揮発性半導体メモリ装置は、半導体領域と、半導体領域内で互いに離間して配置されるソース・ドレイン領域と、ソース・ドレイン領域間のチャネル領域上に配置されるトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜上に配置される浮遊ゲート電極と、浮遊ゲート電極上に配置される電極間絶縁膜と、電極間絶縁膜上に配置される制御ゲート電極とを備え、電極間絶縁膜は、La, Al, Siを含む絶縁物の単層構造又は積層構造を有する。
【選択図】 図1
Description
本発明の主要部は、電極間絶縁膜又はブロック絶縁膜を高誘電率材料から構成する場合に、低電界領域から高電界領域にかけてリーク電流がデバイス仕様から要求される基準値以下となり、かつ、熱的安定性に優れた特性を持つ高誘電率材料の組成にある。
メモリセルの製造プロセスでは、ソース・ドレイン領域に不純物を注入した後、その不純物を活性化させるために、900〜1000℃での高温熱処理が施される。しかし、電極間絶縁膜又はブロック絶縁膜を高誘電率材料から構成する場合、この熱処理により、意図されない高誘電率材料の結晶化が起き、電気的特性の劣化が生じる。このため、高温熱処理前後で非晶質を維持できる、耐熱性の高い高誘電率材料の開発が必須である。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
以下、本発明の実施例について説明する。
図2は、第1実施例の不揮発性半導体メモリ装置を示している。
この不揮発性半導体メモリ装置は、浮遊ゲート電極及び制御ゲート電極を有するスタックゲート構造のメモリセルである。
・ p型不純物を含んだポリシリコン
・ Au, Pt, Co, Be, Ni, Rh, Pd, Te, Re, Mo, Al, Hf, Ta, Mn, Zn, Zr, In, Bi, Ru, W, Ir, Er, La, Ti, Yのうちから選ばれる一種類以上の元素を含む導電材料、又は、その珪化物、ホウ化物、窒化物、炭化物
特に、制御ゲート電極を仕事関数の大きな金属から構成すると、電極間絶縁膜から制御ゲート電極へのリーク電流が低減される。この場合、制御ゲート電極の空乏化がないため、電極間絶縁膜のEOT(equivalent oxide thickness)が小さくなる。
図3は、第2実施例の不揮発性半導体メモリ装置を示している。
この不揮発性半導体メモリ装置は、第1実施例の変形例であり、バリア層(Al2O3)を追加した点に特徴を有する。
図4は、第3実施例の不揮発性半導体メモリ装置を示している。
この不揮発性半導体メモリ装置は、第2実施例の変形例である。
その特徴は、制御ゲート電極にTaCを使用し、かつ、電極間絶縁膜(LaAlSiO)上のバリア層(Al2O3)をなくした点にある。
図5は、第4実施例の不揮発性半導体メモリ装置を示している。
この不揮発性半導体メモリ装置は、電荷蓄積層が電荷トラップ機能を有する絶縁膜から構成されるMONOS構造のメモリセルである。
・ n型不純物を含んだポリシリコン又はp型不純物を含んだポリシリコン
・ Au, Pt, Co, Be, Ni, Rh, Pd, Te, Re, Mo, Al, Hf, Ta, Mn, Zn, Zr, In, Bi, Ru, W, Ir, Er, La, Ti, Yのうちから選ばれる一種類以上の元素を含む導電材料、又は、その珪化物、ホウ化物、窒化物、炭化物
特に、制御ゲート電極を仕事関数の大きな金属から構成すると、電極間絶縁膜から制御ゲート電極へのリーク電流が低減される。この場合、制御ゲート電極の空乏化がないため、電極間絶縁膜のEOTが小さくなる。
図6は、第5実施例の不揮発性半導体メモリ装置を示している。
この不揮発性半導体メモリ装置は、第4実施例の変形例である。
その特徴は、電荷蓄積層にAlOxを使用し、かつ、電極間絶縁膜(LaAlSiO)下のバリア層(Al2O3)をなくした点にある。ここで、AlOxの「x」は、酸素欠損により、実際の膜の組成が理論値にならない場合があることを意味するものである。
図7は、第6実施例の不揮発性半導体メモリ装置を示している。
この不揮発性半導体メモリ装置は、第5実施例の変形例である。
その特徴は、制御ゲート電極にTaCを使用し、かつ、電極間絶縁膜(LaAlSiO)上のバリア層(Al2O3)をなくした点にある。
上述の第1乃至第6実施例では、シリコン基板上にメモリセルを形成したが、SOI(Silicon on Insulator)上、又は、多結晶シリコン層上に形成してもよい。
本発明は、電荷蓄積層に対する電荷の出入りによりデータを記憶する不揮発性半導体メモリ全般に適用可能である。ここでは、その代表例について説明する。
図8は、NANDセルユニットの回路図を示している。図9は、NANDセルユニットのデバイス構造を示している。
図10は、NORセルユニットの回路図を示している。図11は、NORセルユニットのデバイス構造を示している。
図12は、2トラセルユニットの回路図を示している。図13は、2トラセルユニットのデバイス構造を示している。
本発明は、AND型、DINOR型、ORNAND型の不揮発性半導体メモリ装置にも適用可能である。
本発明の不揮発性半導体メモリ装置をNAND型フラッシュメモリに適用した場合の製造方法について説明する。
電極間絶縁膜としてのLaAlSiOは、分子線エピタキシー(MBE)法を用いて、LaとAlとSiとを同時に供給することにより形成する。
電極間絶縁膜としてのLaAlSiOは、分子線エピタキシー(MBE)法を用いて、LaとAlとSiとを同時に供給することにより形成する。
第4実施例は、MONOS型であるため、浮遊ゲート電極14を電荷蓄積層に代え、電極間絶縁膜15をブロック絶縁膜に代える必要がある。
第5実施例も、MONOS型であるため、浮遊ゲート電極14を電荷蓄積層に代え、電極間絶縁膜15をブロック絶縁膜に代える必要がある。
第6実施例も、MONOS型であるため、浮遊ゲート電極14を電荷蓄積層に代え、電極間絶縁膜15をブロック絶縁膜に代える必要がある。
本発明によれば、浮遊ゲート型メモリセルの電極間絶縁膜及びMONOS型メモリセルのブロック絶縁膜を、La, Al, Siを含む絶縁物の単層構造又は積層構造から構成することにより、高温熱処理工程後も非晶質を維持することができ、膜の結晶化による電気的特性の劣化を抑制できる。
Claims (15)
- 半導体領域と、
前記半導体領域内で互いに離間して配置されるソース・ドレイン領域と、
前記ソース・ドレイン領域間のチャネル領域上に配置されるトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に配置される浮遊ゲート電極と、
前記浮遊ゲート電極上に配置される電極間絶縁膜と、
前記電極間絶縁膜上に配置される制御ゲート電極とを具備し、
前記電極間絶縁膜は、La, Al, Siを含む絶縁物の単層構造又は積層構造を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記電極間絶縁膜の組成比は、0.06 < Si/(La+Al) < 0.60の範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記電極間絶縁膜は、非晶質であ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装置。
- 前記浮遊ゲート電極は、Siを含む材料から構成され、前記電極間絶縁膜と前記浮遊ゲート電極との間にAlの酸化物からなるバリア層を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記制御ゲート電極は、Siを含む材料から構成される層を有し、前記電極間絶縁膜と前記制御ゲート電極との間にAlの酸化物からなるバリア層を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記制御ゲート電極は、Taを含む材料から構成される層を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記トンネル絶縁膜は、Siを含む材料から構成される層を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 半導体領域と、
前記半導体領域内で互いに離間して配置されるソース・ドレイン領域と、
前記ソース・ドレイン領域間のチャネル領域上に配置されるトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に配置される電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に配置されるブロック絶縁膜と、
前記ブロック絶縁膜上に配置される制御ゲート電極とを具備し、
前記ブロック絶縁膜は、La, Al, Siを含む絶縁物の単層構造又は積層構造を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記ブロック絶縁膜の組成比は、0.06 < Si/(La+Al) < 0.60の範囲内にあることを特徴とする請求項8に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記ブロック絶縁膜は、非晶質であることを特徴とする請求項8又は9に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記電荷蓄積層は、Siを含む材料から構成され、前記ブロック絶縁膜と前記電荷蓄積層との間にAlの酸化物からなるバリア層を有することを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記制御ゲート電極は、Siを含む材料から構成される層を有し、前記ブロック絶縁膜と前記制御ゲート電極との間にAlの酸化物からなるバリア層を有することを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記制御ゲート電極は、Taを含む材料から構成される層を有することを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記電荷蓄積層は、Al及びHfの少なくとも1つを含む絶縁材料から構成されることを特徴とする請求項8乃至13のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記トンネル絶縁膜は、Siを含む材料から構成される層を有することを特徴とする請求項8乃至14のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
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