JP2009076764A - Nonvolatile semiconductor memory, method of writing to the same, and method of erasing the same - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory, method of writing to the same, and method of erasing the same Download PDF

Info

Publication number
JP2009076764A
JP2009076764A JP2007245721A JP2007245721A JP2009076764A JP 2009076764 A JP2009076764 A JP 2009076764A JP 2007245721 A JP2007245721 A JP 2007245721A JP 2007245721 A JP2007245721 A JP 2007245721A JP 2009076764 A JP2009076764 A JP 2009076764A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum well
energy level
well layer
layer
semiconductor memory
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
Application number
JP2007245721A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tatsuo Shimizu
水 達 雄 清
Koichi Muraoka
岡 浩 一 村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2007245721A priority Critical patent/JP2009076764A/en
Publication of JP2009076764A publication Critical patent/JP2009076764A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Non-Volatile Memory (AREA)
  • Read Only Memory (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To balance speed-up of "writing and erasing" and improvement of "charge retention characteristics and read-out characteristics". <P>SOLUTION: A nonvolatile semiconductor memory has a memory cell 1 having: a silicon substrate 10; source region and drain region 14a and 14b provided away from the silicon substrate; a first barrier layer 21 provided on the silicon substrate between the source region and the drain region; a first quantum well layer 22 in which a first energy level group including at least one energy level quantized is formed in a conduction band; a second barrier layer 23; a second quantum well layer 24 in which a second energy level group including at least one energy level which is different from the energy level of the first energy level group and which is quantized is formed in the conduction band, and in which there is an energy level EC2 larger than any one energy level EC1 in the first energy level group in the second energy level group; a third barrier layer 25; and a control electrode 26. The second quantum well layer is capable of storing electrons. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性半導体メモリおよびその書き込み方法ならびにその消去方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory, a writing method thereof, and an erasing method thereof.

一般的に、不揮発性半導体メモリの1つであるフラッシュメモリは、記憶のための電気的な保持動作(保持電源供給)が不要な不揮発性メモリであり、製品完成後でもプログラム等が容易に書き込めるため、多種多様な電子機器に多用されている。次世代以降のフラッシュメモリは、さらに微細化及び低電圧動作が求められている。   Generally, a flash memory, which is one of nonvolatile semiconductor memories, is a nonvolatile memory that does not require an electrical holding operation (holding power supply) for storage, and can easily write a program or the like even after the product is completed. Therefore, it is widely used in a wide variety of electronic devices. The next generation and later flash memories are required to be further miniaturized and operated at a low voltage.

この次世代以降のフラッシュメモリにおけるトンネル層は、「書き込みまたは消去」の時には、高速書き込みまたは高速消去を行うために、より大きな電流が流れ、かつ「電荷保持」または「データ読み出し」の時には、漏れ電流(リーク電流)がより小さいことが望まれている。   The tunnel layer in the next generation or later flash memory has a larger current flowing in order to perform high-speed writing or erasing at the time of “writing or erasing”, and leaking at the time of “charge holding” or “data reading”. It is desired that the current (leakage current) is smaller.

しかし、一般に、書き込みおよび消去の高速化を図ると、保持特性が悪くなる傾向がある。通常、トンネル障壁の高さは固定されるので、障壁を低くかつ薄くすることで「書き込みおよび消去の高速化」が実現できるが、その時、「電荷保持特性および読み出し特性」は劣化する。反対に、障壁を高くかつ厚くすることで「電荷保持特性および読み出し特性」は向上するが、「書き込みおよび消去」の速度が遅くなってしまう。このように、「書き込みおよび消去の高速化」と「電荷保持特性および読み出し特性の向上」を両立させることは困難である。   However, generally, when the speed of writing and erasing is increased, the retention characteristics tend to be deteriorated. Usually, since the height of the tunnel barrier is fixed, “acceleration of writing and erasing” can be realized by making the barrier low and thin, but at that time, “charge retention characteristics and read characteristics” deteriorate. Conversely, increasing the barrier thickness and thickness improves the “charge retention characteristics and read characteristics”, but slows the “write and erase” speed. Thus, it is difficult to achieve both “acceleration of writing and erasing” and “improvement of charge holding characteristics and reading characteristics”.

この問題を解決するものとして、トンネル層に電子を溜めることで電子障壁を高くさせるという提案がなされている(例えば、非特許文献1参照)。この場合、クーロンブロッケードを使っており、Siドットに電子を溜めることが特徴である。   As a solution to this problem, a proposal has been made to raise the electron barrier by accumulating electrons in the tunnel layer (see, for example, Non-Patent Document 1). In this case, a Coulomb blockade is used, and the feature is that electrons are accumulated in Si dots.

また、「書き込みおよび消去」の高速化を行うために、単一量子井戸構造が用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
R.Ohba et.al.,Technical Digest of Electron Device Meeting 2005 P853 特開2001−244352号公報
Further, it has been proposed to use a single quantum well structure in order to increase the speed of “writing and erasing” (see, for example, Patent Document 1).
R.Ohba et.al., Technical Digest of Electron Device Meeting 2005 P853 JP 2001-244352 A

前述した非特許文献1に開示される技術を用いた場合、次世代以降のフラッシュメモリにおいて要求される性能を満たすには、量子ドット内のエネルギーレベルを上昇させることが必要であり、より小さな量子ドットを用いることになる。しかし、あまり小さな量子ドットを用いると、電荷を蓄積するためのエネルギーが大きくなってしまうので、クーロンブロッケードを室温以上で維持することは困難になる。即ち、非特許文献1の機構では、微細化が進んだ場合に、室温以上での動作が出来なくなってしまう。   When the technology disclosed in Non-Patent Document 1 described above is used, it is necessary to increase the energy level in the quantum dot in order to satisfy the performance required in the next generation or later flash memory. Dots will be used. However, if a too small quantum dot is used, the energy for accumulating charges increases, so it becomes difficult to maintain the Coulomb blockade above room temperature. That is, the mechanism of Non-Patent Document 1 cannot operate at room temperature or higher when miniaturization progresses.

また、特許文献1に開示される技術を用いた場合、電荷保持状態、読み出し状態において十分な電荷保持が出来ない。それは、単一量子井戸の共鳴状態が実効的な障壁を低下させているので、保持された電子がチャネル側に抜ける際の実効障壁も低くなっているためである。つまり、「書き込みおよび消去」の高速化を図ったため、「電荷保持」および「データ読み出し」の特性が劣化していることになる。   Further, when the technique disclosed in Patent Document 1 is used, sufficient charge holding cannot be performed in the charge holding state and the reading state. This is because the resonance state of the single quantum well lowers the effective barrier, and the effective barrier when the retained electrons escape to the channel side is also low. That is, the speed of “writing and erasing” is increased, and the characteristics of “charge retention” and “data reading” are deteriorated.

このように、従来の技術では、「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができなかった。   As described above, according to the conventional technique, it is impossible to achieve both the speeding up of “writing and erasing” and the improvement of “charge holding characteristics and reading characteristics”.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることのできる不揮発性半導体メモリおよびその書き込み方法ならびにその消去方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and is a nonvolatile semiconductor memory that can achieve both high-speed “writing and erasing” and “charge retention characteristics and reading characteristics”, and writing thereof It is an object to provide a method and an erasing method thereof.

本発明の第1の態様による不揮発性半導体メモリは、シリコン基板と、前記シリコン基板に、離間して設けられたソース領域およびドレイン領域と、前記ソース領域およびドレイン領域との間の前記シリコン基板上に設けられた第1障壁層と、前記第1障壁層上に設けられ、伝導帯内に量子化された少なくとも1つのエネルギー準位を含む第1エネルギー準位群が形成される第1量子井戸層と、前記第1量子井戸層上に設けられた第2障壁層と、前記第2障壁層上に設けられ、伝導帯内に前記第1エネルギー準位群のエネルギー準位とそれぞれ異なる量子化された少なくとも1つのエネルギー準位を含む第2エネルギー準位群が形成され、前記第2エネルギー準位群のうちで、前記第1エネルギー準位群のうちのいずれかのエネルギー準位EC1よりも大きなエネルギー準位EC2が存在する第2量子井戸層と、前記第2量子井戸層上に設けられた第3障壁層と、前記第3障壁層上に設けられた制御電極と、を有するメモリセルを備え、前記第2量子井戸層は、電子が蓄積可能であることを特徴とする。   A nonvolatile semiconductor memory according to a first aspect of the present invention includes a silicon substrate, a source region and a drain region that are provided apart from the silicon substrate, and the silicon substrate between the source region and the drain region. And a first quantum well provided on the first barrier layer, wherein a first energy level group including at least one energy level quantized in a conduction band is formed. A layer, a second barrier layer provided on the first quantum well layer, a quantization provided on the second barrier layer and different from the energy levels of the first energy level group in a conduction band A second energy level group including at least one energy level is formed, and one of the energy levels E of the first energy level group among the second energy level groups. A second quantum well layer having an energy level EC2 greater than 1, a third barrier layer provided on the second quantum well layer, and a control electrode provided on the third barrier layer. The second quantum well layer is capable of storing electrons.

また、本発明の第2の態様による不揮発性半導体メモリの書き込み方法は、第1の態様による不揮発性半導体メモリの書き込み方法であって、前記第1エネルギー準位群内のエネルギー準位と前記第2エネルギー準位群内のエネルギー準位とが共鳴を起こす正電圧を前記制御電極に印加することによりデータの書き込みを行うことを特徴とする。   A non-volatile semiconductor memory writing method according to a second aspect of the present invention is the non-volatile semiconductor memory writing method according to the first aspect, in which the energy level in the first energy level group and the first Data is written by applying, to the control electrode, a positive voltage that causes resonance with the energy level in the two energy level group.

また、本発明の第3の態様による不揮発性半導体メモリの消去方法は、第1の態様による不揮発性半導体メモリの消去方法であって、前記第1エネルギー準位群内のエネルギー準位と前記第2エネルギー準位群内のエネルギー準位とが共鳴を起こす負電圧を前記制御電極に印加することによりデータの消去を行うことを特徴とする。   The non-volatile semiconductor memory erasing method according to the third aspect of the present invention is the non-volatile semiconductor memory erasing method according to the first aspect, wherein the energy level in the first energy level group and the first Data is erased by applying, to the control electrode, a negative voltage that causes resonance with an energy level in the two energy level group.

また、本発明の第4の態様による不揮発性半導体メモリの消去方法は、第1の態様による不揮発性半導体メモリの消去方法であって、前記第1量子井戸層の価電子帯内の量子化されたエネルギー準位と前記第2量子井戸層の価電子帯内の量子化されたエネルギー準位とが共鳴を起こす負電圧を前記制御電極に印加することによりデータの消去を行うことを特徴とする。   A non-volatile semiconductor memory erase method according to a fourth aspect of the present invention is the non-volatile semiconductor memory erase method according to the first aspect, wherein the first quantum well layer is quantized in the valence band. Data is erased by applying a negative voltage that causes resonance between the energy level and the quantized energy level in the valence band of the second quantum well layer to the control electrode. .

本発明によれば、「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができる。   According to the present invention, it is possible to achieve both speeding up of “writing and erasing” and improvement of “charge holding characteristics and reading characteristics”.

本発明の各実施形態の不揮発性半導体メモリは電荷蓄積型メモリであるので、本発明の実施形態を説明する前に、電荷蓄積型メモリの概要についてまず説明する。   Since the nonvolatile semiconductor memory of each embodiment of the present invention is a charge storage type memory, an outline of the charge storage type memory will be first described before describing the embodiment of the present invention.

本発明の各実施形態の電荷蓄積型メモリは、少なくとも1個のメモリセル1を有し、このメモリセル1の断面を図1に示す。このメモリセル1は、シリコン半導体基板10に離間して形成されたソース領域14aと、ドレイン領域14bとを有している。このソース領域14aと、ドレイン領域14bとの間がチャネル領域12となる。このチャンネル領域12上に、メモリ動作を制御するゲート20が設けられている。ゲート20は、シリコン基板10上に、第1障壁層21、第1量子井戸層22、第2障壁層23、第2量子井戸層となる電荷蓄積層24、第3障壁層となるブロック層25、および制御電極26の順に積層された積層構造を有している。ここで、第1障壁層21と、第1量子井戸層22と、第2障壁層23とが第1量子井戸を形成している。また、第2障壁層23と、第2量子井戸層(電荷蓄積層)24と、第3障壁層(ブロック層)25とが第2量子井戸を形成している。このように、ゲート20は、3重障壁と、2重井戸構造とを有している。このゲート20のエネルギーバンドを図2(a)、2(b)に示す。図2(a)は非共鳴状態のときのエネルギーバンド図であり、図2(b)は共鳴状態のときのエネルギーバンド図である。   The charge storage type memory of each embodiment of the present invention has at least one memory cell 1, and a cross section of the memory cell 1 is shown in FIG. The memory cell 1 has a source region 14 a and a drain region 14 b that are formed apart from the silicon semiconductor substrate 10. A channel region 12 is formed between the source region 14a and the drain region 14b. On the channel region 12, a gate 20 for controlling the memory operation is provided. The gate 20 is formed on the silicon substrate 10 with a first barrier layer 21, a first quantum well layer 22, a second barrier layer 23, a charge storage layer 24 serving as a second quantum well layer, and a block layer 25 serving as a third barrier layer. , And the control electrode 26 in this order. Here, the first barrier layer 21, the first quantum well layer 22, and the second barrier layer 23 form a first quantum well. The second barrier layer 23, the second quantum well layer (charge storage layer) 24, and the third barrier layer (block layer) 25 form a second quantum well. Thus, the gate 20 has a triple barrier and a double well structure. The energy band of the gate 20 is shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). 2A is an energy band diagram in a non-resonant state, and FIG. 2B is an energy band diagram in a resonant state.

(共鳴状態および非共鳴状態)
次に、電荷蓄積型メモリの共鳴状態および非共鳴状態について説明する。
(Resonant state and non-resonant state)
Next, the resonance state and non-resonance state of the charge storage type memory will be described.

まず、本発明の各実施形態と異なり、図3(a)に示すような、ゲートが単一障壁を有する場合について考えてみる。単一の障壁を超えた先には、エネルギー準位が連続化した状態(連続状態)の井戸が存在することになる。この状態は、井戸の幅が広いために、量子準位の間隔が狭くなり連続化したと理解することが出来る。メモリ動作温度での準位の広がりを考えると、0.25eV以上のエネルギー準位差がないと、連続状態とみなされることになる。この連続状態をもつ井戸のことを、量子井戸と区別する意味で古典井戸と称することにする。このエネルギー幅、0.25eVは、井戸幅(井戸層の層厚)に換算することが可能であり、井戸幅にして、1.2nm以下であれば、井戸が量子化されているとみなすことが出来る。   First, let us consider a case where the gate has a single barrier as shown in FIG. A well having a continuous energy level (continuous state) exists beyond the single barrier. It can be understood that this state is continuous because the well width is wide and the quantum level interval is narrowed. Considering the level spread at the memory operating temperature, if there is no energy level difference of 0.25 eV or more, it is regarded as a continuous state. This well having a continuous state is called a classical well in order to distinguish it from a quantum well. This energy width, 0.25 eV, can be converted into a well width (layer thickness of the well layer). If the well width is 1.2 nm or less, the well is considered to be quantized. I can do it.

また本発明の各実施形態と異なり、ゲートが単一量子井戸構造を有している場合のエネルギーバンド図を図3(b)に示す。この図3(b)に示すゲートは、井戸内部に1つの量子準位がある量子井戸と連続状態を作る古典井戸(古典井戸部分の右側の障壁は無限に遠方にあると考えられるので描かれていない)とが積層した構造を示している。この場合、量子井戸内の量子準位と、古典井戸内の状態とは波動関数に重なりが生じ、共鳴状態となる。つまり、量子準位以上のエネルギーを持った電子は、連続状態へと通りぬけていく。この様子を、図3(b)の矢印200で示している。図3(a)、3(b)に示すエネルギーバンドを有するゲートを備えているメモリセルのトンネル電流の印加電圧依存性を図4のグラフg、gにそれぞれ示す。グラフg、gからわかるように、単一量子井戸構造を有している場合(グラフg)のほうが、単一障壁構造を有している場合(グラフg)に比べて、低電圧では、リーク電流が減るが、量子レベルを超えるとむしろリーク電流が増えることが分かる。 Further, unlike each embodiment of the present invention, FIG. 3B shows an energy band diagram in the case where the gate has a single quantum well structure. The gate shown in FIG. 3B is drawn as a classical well that forms a continuous state with a quantum well having one quantum level inside the well (the barrier on the right side of the classical well is considered to be infinitely far away. Is a stacked structure. In this case, the quantum level in the quantum well and the state in the classical well overlap with each other in the wave function, resulting in a resonance state. In other words, electrons with energy higher than the quantum level pass through a continuous state. This is indicated by the arrow 200 in FIG. The applied voltage dependence of the tunnel current of the memory cell having the gate having the energy band shown in FIGS. 3A and 3B is shown in graphs g a and g b in FIG. 4, respectively. As can be seen from the graphs g a and g b , the case of having a single quantum well structure (graph g b ) is lower than the case of having a single barrier structure (graph g a ). It can be seen that the leakage current decreases with voltage, but rather increases beyond the quantum level.

これに対して、本発明の各実施形態のように、ゲートが二重量子井戸構造を有している場合のエネルギーバンド図を図3(c)に示し、このゲートを備えているメモリセルのトンネル電流の印加電圧依存性を図4のグラフgに示す。第1および第2量子井戸層内部の量子準位が異なる場合、リーク電流が第2量子井戸層に達する確率は殆どゼロである。つまり、電子が第2量子井戸層に達することはない。この状態を非共鳴状態(OFF-resonance state)と称する。この非共鳴状態の実現には、第2井戸が量子化されていることが重要であり、特開2001−244352号公報のように第2井戸が、エネルギーバンドが連続状態の古典井戸の場合(例えば、図3(b)に示す場合)は、実現できない。 In contrast, an energy band diagram in the case where the gate has a double quantum well structure as in each embodiment of the present invention is shown in FIG. the applied voltage dependence of the tunnel current shown in graph g c in FIG. When the quantum levels inside the first and second quantum well layers are different, the probability that the leakage current reaches the second quantum well layer is almost zero. That is, electrons do not reach the second quantum well layer. This state is referred to as a non-resonance state. In order to realize this non-resonant state, it is important that the second well is quantized. In the case where the second well is a classical well having a continuous energy band as disclosed in JP-A-2001-244352 ( For example, the case shown in FIG. 3B cannot be realized.

これに対して、本発明の各実施形態のように、ゲートが二重量子井戸構造を有している場合は、非共鳴状態では、図4のグラフgからわかるように、印加電圧が低電圧の領域で、リーク電流が極端に低下することが分かる。この非共鳴状態において、電荷を保持するか或いはメモリを読み出すようにしたことが、本発明の各実施形態の特徴である。非共鳴状態を用いて読み出しを行えば、読み出し時のリーク電流により電荷が消失することが避けられるので、読み出し後もデータ保持が保証される。 In contrast, as in the embodiments of the present invention, if the gate has a double quantum well structure, the non-resonant state, as can be seen from the graph g c in FIG. 4, the applied voltage is low It can be seen that the leakage current extremely decreases in the voltage region. It is a feature of each embodiment of the present invention that in this non-resonant state, charge is held or the memory is read out. If reading is performed using a non-resonant state, it is possible to avoid the loss of electric charge due to a leakage current at the time of reading, and thus data retention is ensured even after reading.

また、本発明の各実施形態のように、ゲートが二重量子井戸構造を有している場合におけるリーク電流の特徴として、ある特定の印加電圧(以下、本明細書では、共鳴電圧という)で共鳴を起こし、共鳴電圧以上の電圧では、むしろリーク電流が桁違いに減少するという特異な現象が見られる。共鳴電圧以上の電圧も、いわば非共鳴状態とみなすことができるので、実効的な障壁が大きくなることがその原因である。この特徴は、二重量子井戸構造を用いた結果として現れる特性である。共鳴電圧以上の電圧を印加したメモリセルでは、書きこみ、消去が桁違いに遅くなるという現象が現れることが、本発明の各実施形態におけるメモリセルの特性である。図3(a)や図3(b)に示す、従来の構造では、このような現象は見られない。   In addition, as in the embodiments of the present invention, as a characteristic of leakage current when the gate has a double quantum well structure, a specific applied voltage (hereinafter referred to as resonance voltage in this specification) is used. A resonance occurs, and at a voltage higher than the resonance voltage, a unique phenomenon is observed in which the leakage current rather decreases by an order of magnitude. A voltage higher than the resonance voltage can be regarded as a non-resonant state, so that the effective barrier is increased. This feature is a characteristic that appears as a result of using a double quantum well structure. In the memory cell to which a voltage higher than the resonance voltage is applied, the phenomenon that writing and erasing are remarkably delayed appears as a characteristic of the memory cell in each embodiment of the present invention. In the conventional structure shown in FIGS. 3A and 3B, such a phenomenon is not observed.

ゲートが二重量子井戸構造を有している場合において、図2(b)に示すように、ゲートに電圧を印加して、エネルギー準位をずらし、第1および第2量子井戸層22、24の内部の量子準位を一致させることが出来ると、量子準位が共鳴を起こし、リーク電流が第2量子井戸層24に達する確率がほぼ1となる。この状態を共鳴状態(on-resonance state)と称する。量子準位は、温度により幅を持つ可能性があり、また、p型のシリコン基板10を用いている場合チャネル12のドープ量に応じてエネルギーバンドに曲がりが生じる。これらを最大に評価したとき、動作温度により0.15eV〜0.25eV、チャネルドープ量により0.15eV〜0.25eV程度のズレが生じることになる。よって、第1および第2量子井戸22、24は、最低でも0.3eV〜0.5eVのエネルギー準位差を持っている必要がある。 共鳴状態が発生している場合、もし、第2量子井戸層24の内部に電子を蓄積することが出来なければ、電子はそのまま、逆向きに反射され、確率1で戻ってしまう。それに対し、本発明の各実施形態のように、第2量子井戸層24に電子を蓄積することの出来る機構を付け加えることが出来れば、第2量子井戸層24までは電子が高密度で注入されるので、非常に高速に電荷注入が出来ることになる。第2量子井戸層24に電子を蓄積することの出来る機構を付け加えたことも、本発明の各実施形態の特徴である。   When the gate has a double quantum well structure, as shown in FIG. 2B, a voltage is applied to the gate to shift the energy level, and the first and second quantum well layers 22, 24 When the internal quantum levels can be matched, the quantum levels resonate, and the probability that the leak current reaches the second quantum well layer 24 is approximately 1. This state is called an on-resonance state. The quantum level may have a width depending on the temperature, and when the p-type silicon substrate 10 is used, the energy band is bent according to the doping amount of the channel 12. When these are evaluated to the maximum, deviations of about 0.15 eV to 0.25 eV depending on the operating temperature and about 0.15 eV to 0.25 eV depending on the channel dope amount occur. Therefore, the first and second quantum wells 22 and 24 need to have an energy level difference of at least 0.3 eV to 0.5 eV. When a resonance state is generated, if electrons cannot be accumulated in the second quantum well layer 24, the electrons are reflected in the reverse direction and returned with probability 1. On the other hand, if a mechanism capable of accumulating electrons in the second quantum well layer 24 can be added as in the embodiments of the present invention, electrons are injected into the second quantum well layer 24 at a high density. Therefore, charge injection can be performed at a very high speed. The addition of a mechanism capable of storing electrons in the second quantum well layer 24 is also a feature of each embodiment of the present invention.

電子を蓄積することの出来る機構としては、以下のような工夫が必要である。第2量子井戸層24は、膜面内に電子トラップサイトが多く存在し、層厚方向には量子化されていることが必要である。そして、面内方向には、量子化されていないことが好ましい。面内に広がった状態を介して、膜面内に電子トラップサイトが多く存在すれば、電子をそのトラップサイトへと移送することが可能となる。以下に示す第2量子井戸の構成により、本発明の各実施形態のトラップサイトの密度は、面密度に換算して、1×1012cm―2以上が確保でき、より好ましくは1×1013cm―2以上が確保できる。つまり、第2量子井戸層は、トラップサイト密度を増強した量子井戸である。それに対し、トラップサイト密度を増強していない、通常の量子井戸では、トラップサイト密度は桁違いに小さく、上記の増強したトラップサイト密度の1割以下であるので、トラップサイトへの電子の移送は殆ど起こらないと言える。 As a mechanism capable of accumulating electrons, the following devices are necessary. The second quantum well layer 24 must have many electron trap sites in the film plane and be quantized in the layer thickness direction. And it is preferable that it is not quantized in the in-plane direction. If there are a large number of electron trap sites in the film surface through the state spreading in the plane, electrons can be transferred to the trap site. With the configuration of the second quantum well shown below, the density of trap sites in each embodiment of the present invention can be ensured to be 1 × 10 12 cm −2 or more, more preferably 1 × 10 13 , in terms of surface density. cm −2 or more can be secured. That is, the second quantum well layer is a quantum well with an increased trap site density. On the other hand, in a normal quantum well that does not increase the trap site density, the trap site density is an order of magnitude smaller than 10% of the increased trap site density. It can be said that it hardly happens.

共鳴状態では、第1量子井戸層、第2量子井戸層の各量子井戸内にある確率は同等であるが、トラップサイトの密度が格段に違うので、殆どの電子は第2量子井戸層にトラップされる。第2量子井戸層内のトラップサイトに電子が移送されると、第2量子井戸層内の共鳴準位に電子の空きが出来るので、第1量子井戸層から供給が起こる。このようにして、第2量子井戸層内のトラップサイトに、次から次に電子が蓄積される。結果として、トラップサイトの多い側(第2量子井戸層)に電子の殆どが蓄積されることになる。   In the resonance state, the probability of being in each quantum well of the first quantum well layer and the second quantum well layer is the same, but since the density of trap sites is significantly different, most electrons are trapped in the second quantum well layer. Is done. When electrons are transferred to the trap site in the second quantum well layer, electrons are vacated at the resonance level in the second quantum well layer, and thus supply occurs from the first quantum well layer. In this way, electrons are accumulated from the next to the trap sites in the second quantum well layer. As a result, most of the electrons are accumulated on the side with many trap sites (second quantum well layer).

また、書き込み後に電圧を切ると、第1量子井戸層内の量子準位に電子は留まることは出来ず、チャネル側へと逃れることになる。   When the voltage is turned off after writing, electrons cannot stay at the quantum level in the first quantum well layer and escape to the channel side.

(1)第2量子井戸層の材料として、高誘電体酸化膜に高価数物質を添加した場合
高誘電体酸化膜を用い、その中に高価数物質を添加することで、電子蓄積サイトを作り出すことが可能となる。図5にSrTiOにRuを添加した場合のトラップレベルを示す。SrTiOにRuを添加すると、Ruの局在したd軌道のうち2本分が電子で埋まり、1本分が空の状態で余っている。すなわち、SrTiOのバンドギャップ内にRu起因の準位が出現する。この準位は、電子を蓄積することが可能である。Ruの導入量が増えると、この準位はバンドを組み、金属化していく。金属化するまでは、局所的な電荷蓄積準位として働く。この準位は、非常に高密度で導入することが可能なので、空間的に離散的な電荷蓄積層を形成することが可能である。また、金属化する程にRuを導入した場合は、Ruの準位の周りに幅を持つったバンドを形成することになる。Ru以外でも、Tc、Re、Os、Rh、Ir、Pd、Pt、Co、Ni、W、Mo、Cr、Mn、またはFeを用いることができ、これらの物質を本明細書中では第1群と称することとする。
(1) As a material of the second quantum well layer, when an expensive substance is added to the high dielectric oxide film, an electron storage site is created by adding an expensive substance into the high dielectric oxide film. It becomes possible. FIG. 5 shows the trap level when Ru is added to SrTiO 3 . When Ru is added to SrTiO 3 , two of the localized d orbitals of Ru are filled with electrons, and one is left empty. That is, a level caused by Ru appears in the band gap of SrTiO 3 . This level can store electrons. As the amount of introduced Ru increases, this level forms a band and becomes metallized. Until metallization, it acts as a local charge accumulation level. This level can be introduced at a very high density, so that a spatially discrete charge storage layer can be formed. If Ru is introduced to the extent that it is metallized, a band having a width around the Ru level is formed. In addition to Ru, Tc, Re, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Co, Ni, W, Mo, Cr, Mn, or Fe can be used. It shall be called.

(2)第2量子井戸層の材料として、高誘電体酸化膜に高価数物質とNを両方とも添加した場合
高誘電体酸化膜を用い、その中に高価数物質を添加することで、電子蓄積サイトを作り出し、更に、Nなどの電子受容物質を添加することで、電子蓄積サイトのエネルギー準位を深くすることが可能である。図6にSrTiOにRuとNを導入したトラップ準位を示す。SrTiOにRuとNを導入すると、Ruの局在したd軌道のうちの1.5本分が電子で埋まり、1.5本分が空の状態で余っている。そして、Nの導入により、空の状態が増え、準位の低下が起こる。電子受容体として、有効な物質として、窒素、炭素、ホウ素、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLuが考えられ、これらの物質を本明細書中では第2群と称することとする。
(2) As a material of the second quantum well layer, when both a high-valence substance and N are added to a high-dielectric oxide film, a high-dielectric oxide film is used, and an expensive-number substance is added to the electron. By creating a storage site and adding an electron accepting substance such as N, it is possible to deepen the energy level of the electron storage site. FIG. 6 shows trap levels in which Ru and N are introduced into SrTiO 3 . When Ru and N are introduced into SrTiO 3 , 1.5 of Ru's localized d orbitals are filled with electrons, and 1.5 is left empty. The introduction of N increases the state of the sky and lowers the level. As an electron acceptor, effective substances include nitrogen, carbon, boron, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, or Lu are conceivable, and these substances will be referred to herein as the second group.

(3)第2量子井戸層の材料として、TiNなどの金属を用いた場合
TiNなどの金属薄膜を用いる。金属であれば、電荷蓄積量が足りないという問題は起こらない。但し、金属では、障壁に劣化があると、電荷を消失してしまう可能性がある。しかし、本発明の各実施形態における二重量子井戸構造では、層厚方向の量子準位が一致していなければ、共鳴電流は発生しないので、障壁劣化に強い構造と言える。片方の障壁に劣化が発生しても、井戸内の量子レベルと相互作用しなければ、共鳴が起こらないためである。
(3) When a metal such as TiN is used as the material of the second quantum well layer A metal thin film such as TiN is used. If it is a metal, the problem of insufficient charge accumulation does not occur. However, with metal, if the barrier is deteriorated, the charge may be lost. However, in the double quantum well structure in each embodiment of the present invention, if the quantum levels in the layer thickness direction do not match, no resonance current is generated, so it can be said that the structure is resistant to barrier degradation. This is because even if one barrier is deteriorated, resonance does not occur unless it interacts with the quantum level in the well.

またSiO、Al、HfO、HfSiON、LaAlOなどの酸化物と接する形で金属の電荷蓄積層を形成するため、耐酸化性が強い金属、或いは酸化されても金属状態を保つ金属でなくてはならない。よって、金属材料としては、窒化金属(TiN、TaN、WNなど)、炭化金属(TaC、WCなど)、酸化物金属(SrRuOなど)、Pt、Ru、Irなどが適している。 In addition, a metal charge storage layer is formed in contact with an oxide such as SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 , HfSiON, LaAlO 3, etc., so that the metal state is maintained even when it is highly resistant to oxidation or oxidized. Must be metal. Therefore, metal nitride (TiN, TaN, WN, etc.), metal carbide (TaC, WC, etc.), oxide metal (SrRuO 3 etc.), Pt, Ru, Ir, etc. are suitable as the metal material.

浮遊ゲート電極と同じようにリンをドープしたポリシリコンも電荷蓄積金属として用いることが出来る。更に、Siを多量に導入したシリコンリッチなSiNも、SiNのギャップ内部に金属バンドエネルギーが発生することになる。この金属状態を電荷蓄積層として用いることが出来る。SiN膜はSiの割合でSiとNが導入されると絶縁膜となる。この時、元素の割合はSi量/N量=0.75である。Siを増やしていくとSiダングリングボンドが増加し、電子をトラップできる膜となる。元素の割合がSi量/N量≧0.95となるとSiN膜は金属状態(すなわち、ギャップ内に分散を持ったエネルギーバンドが形成される状態)となり、十分な電荷を蓄積できるようになる。 Similar to the floating gate electrode, polysilicon doped with phosphorus can also be used as the charge storage metal. Further, silicon-rich SiN into which a large amount of Si is introduced also generates metal band energy within the SiN gap. This metal state can be used as a charge storage layer. The SiN film becomes an insulating film when Si and N are introduced at a ratio of Si 3 N 4 . At this time, the ratio of the element is Si amount / N amount = 0.75. As Si is increased, Si dangling bonds increase and a film capable of trapping electrons is obtained. When the element ratio is Si amount / N amount ≧ 0.95, the SiN film is in a metal state (that is, a state in which an energy band having dispersion in the gap is formed), and a sufficient charge can be accumulated.

(4)第2量子井戸層の材料として、SiN膜を用いた場合
トラップ膜として用いられているSiN膜を、用いることも可能である。しかし、従来から問題になっている蓄積電荷量の不足の問題を解消するには、Siを多量に入れた上記の金属的なSiN膜が好ましい。
(4) When a SiN film is used as the material of the second quantum well layer It is also possible to use a SiN film used as a trap film. However, the above-described metallic SiN film containing a large amount of Si is preferable in order to solve the problem of shortage of accumulated charge, which has been a problem in the past.

以上の説明から分かるように、層厚方向に量子化された井戸を二重に重ねた構造が基本的な構成である。第1量子井戸層は、電荷を蓄積しない。この第1量子井戸層は、層厚方向に発生している量子準位を使って、電子を注入する発射台としての役割を演じている。第2量子井戸層には、量子準位の共鳴を介して、電子を受け入れ、その電子を蓄積する役割を演じている。ここで、第2量子井戸層は、図7に示すように、同じエネルギー準位および同じ層厚の量子井戸を多重に積層した多重量子井戸構造としても良い。この場合、多重量子井戸部分のエネルギーレベルが幅を持つので、第1量子井戸層と共鳴できるエネルギー範囲が広くなる。この特徴を使うことで、共鳴させるのに必要な印加電圧に幅を持たせることが可能となり制御性が向上するとともに、より高速な書き込みが可能となる。   As can be seen from the above description, a basic structure is a double stack of wells quantized in the layer thickness direction. The first quantum well layer does not accumulate charges. The first quantum well layer plays a role as a launch pad for injecting electrons using quantum levels generated in the layer thickness direction. The second quantum well layer plays a role of accepting and accumulating electrons through quantum level resonance. Here, as shown in FIG. 7, the second quantum well layer may have a multiple quantum well structure in which quantum wells having the same energy level and the same layer thickness are stacked in multiple layers. In this case, since the energy level of the multiple quantum well portion has a width, the energy range that can resonate with the first quantum well layer is widened. By using this feature, it is possible to give a width to the applied voltage necessary for resonance, thereby improving the controllability and enabling higher-speed writing.

(第1実施形態)
次に、本発明の第1実施形態による不揮発性半導体メモリを説明する。本実施形態の不揮発性半導体メモリは、電荷蓄積型メモリであって、少なくとも1個のメモリセルを備え、このメモリセルの断面を図1に示す。既に説明したように、このメモリセル1は、p型のシリコン基板10に離間して形成されたn型のソースおよびドレイン領域14a、14bとを有している。このソース領域14aと、ドレイン領域14bとの間がチャネル領域12となる。このチャンネル領域12上に、メモリ動作を制御するゲート20が設けられている。ゲート20は、シリコン基板10上に、第1障壁層21と、第1量子井戸層22と、第2障壁層23と、第2量子井戸層となる電荷蓄積層24と、第3障壁層となるブロック層25と、制御電極26との順に積層された積層構造を有している。ここで、第1障壁層21と、第1量子井戸層22と、第2障壁層23とが第1量子井戸を形成している。また、第2障壁層23と、第2量子井戸層(電荷蓄積層)24と、第3障壁層(ブロック層)25とが第2量子井戸を形成している。このように、ゲート20は、3重障壁と、2重井戸構造とを有している。このゲート20のエネルギーバンドを図2(a)、2(b)に示す。図2(a)は非共鳴状態のときのエネルギーバンド図であり、図2(b)は共鳴状態のときのエネルギーバンド図である。
(First embodiment)
Next, the non-volatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention will be described. The nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment is a charge storage type memory and includes at least one memory cell. A cross section of the memory cell is shown in FIG. As already described, the memory cell 1 has n-type source and drain regions 14a and 14b formed on the p-type silicon substrate 10 so as to be separated from each other. A channel region 12 is formed between the source region 14a and the drain region 14b. On the channel region 12, a gate 20 for controlling the memory operation is provided. The gate 20 is formed on the silicon substrate 10 with a first barrier layer 21, a first quantum well layer 22, a second barrier layer 23, a charge storage layer 24 serving as a second quantum well layer, and a third barrier layer. The block layer 25 and the control electrode 26 are stacked in this order. Here, the first barrier layer 21, the first quantum well layer 22, and the second barrier layer 23 form a first quantum well. The second barrier layer 23, the second quantum well layer (charge storage layer) 24, and the third barrier layer (block layer) 25 form a second quantum well. Thus, the gate 20 has a triple barrier and a double well structure. The energy band of the gate 20 is shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b). 2A is an energy band diagram in a non-resonant state, and FIG. 2B is an energy band diagram in a resonant state.

まず、本実施形態の第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23によって形成される第1量子井戸について説明する。この第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23の両端は、それぞれソース領域14aとドレイン領域14bに掛かるようにチャンネル領域10上に形成される。この積層膜を構成する第1、第2障壁層21、23は、誘電率の低いシリコン酸化膜により形成することが望ましい。何故らなら、このような積層構造のゲートにおいては、誘電率の低い層には大きな電圧が配分されるからである。また、第1量子井戸層22は、井戸の深さが深く出来、制御性がよい物質にて形成することが好ましい。本実施形態では、第1量子井戸層22は、シリコンにより形成している。   First, the first quantum well formed by the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23 of the present embodiment will be described. Both ends of the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23 are formed on the channel region 10 so as to extend over the source region 14a and the drain region 14b, respectively. The first and second barrier layers 21 and 23 constituting this laminated film are preferably formed of a silicon oxide film having a low dielectric constant. This is because in such a stacked gate, a large voltage is distributed to a layer having a low dielectric constant. In addition, the first quantum well layer 22 is preferably formed of a material having a deep well and good controllability. In the present embodiment, the first quantum well layer 22 is formed of silicon.

隣のメモリセルとの相互作用を減らす意味で、ゲートの積層構造全体では、SiO換算層厚(EOT(Equivalent Oxide Thickness))が10nm以下であることが必要である。その条件の下、第1および第2障壁層21、23の層厚はEOTにして半分程度を占めることが望ましい。これは、第1および第2障壁層21、23に電圧の多くを配分したいためである。 In order to reduce the interaction with the adjacent memory cell, it is necessary that the SiO 2 equivalent layer thickness (EOT (Equivalent Oxide Thickness)) is 10 nm or less in the entire gate stack structure. Under the conditions, it is desirable that the thickness of the first and second barrier layers 21 and 23 occupy about half of EOT. This is because most of the voltage is to be distributed to the first and second barrier layers 21 and 23.

第1実施形態では、2.5nmの層厚のSiOからなる第1障壁層21、0.5nmの層厚のSiからなる第1量子井戸層22、1.0nmの層厚のSiOからなる第2障壁層23を用いている。この時、量子井戸層22の部分は量子化されており、図8に示すように伝導帯側には1.5eVの位置に量子準位が出現している。また、価電子帯側には3.0eVの位置に量子準位が出現している。 In the first embodiment, the SiO 2 layer thickness of the first quantum well layer 22,1.0nm made of Si of thickness of the first barrier layer 21,0.5nm made of SiO 2 of thickness of 2.5nm The second barrier layer 23 is used. At this time, the quantum well layer 22 is quantized, and a quantum level appears at a position of 1.5 eV on the conduction band side as shown in FIG. In addition, a quantum level appears at a position of 3.0 eV on the valence band side.

本実施形態では、第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23の成膜方法の一例として、まず、層厚が2.3nmのSiOの熱酸化膜を形成する。その上にSiを1.1nmだけ堆積する。ここで、熱酸化過程を通すと、障壁幅が2.5nmのSiOからなる第1障壁層21、障壁幅が0.5nmのSiからなる第1量子井戸層22、障壁幅が1.0nmのSiOからなる第2障壁層23の積層構造が形成できる。 In this embodiment, as an example of a method for forming the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23, first, a SiO 2 thermal oxide film having a layer thickness of 2.3 nm is formed. On top of this, Si is deposited by 1.1 nm. Here, when a thermal oxidation process is performed, a first barrier layer 21 made of SiO 2 having a barrier width of 2.5 nm, a first quantum well layer 22 made of Si having a barrier width of 0.5 nm, and a barrier width of 1.0 nm. A laminated structure of the second barrier layer 23 made of SiO 2 can be formed.

次に、本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24について説明する。
この第2量子井戸層24は、高誘電体材料を用いることによって、第1および第2障壁層21、23への電圧配分が多くなるので、より低電圧での動作が可能となる。この低電圧化による効果は、第3障壁層(ブロック層)25への印加電圧を低下することにもなるため、記憶されているデータの消去時に電極26側からの電子注入を防止することが可能となる。すなわち、電極26側の電子注入が抑制される。更に、第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23に加わる電圧の配分が多くなると、第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23をより薄く、そして、全体に加える全電圧を低く抑えることが可能となる。
Next, the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this embodiment will be described.
Since the second quantum well layer 24 uses a high dielectric material, voltage distribution to the first and second barrier layers 21 and 23 is increased, so that operation at a lower voltage is possible. The effect of lowering the voltage is also to reduce the voltage applied to the third barrier layer (block layer) 25, so that it is possible to prevent electron injection from the electrode 26 side when erasing stored data. It becomes possible. That is, the electron injection on the electrode 26 side is suppressed. Further, when the distribution of the voltage applied to the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23 increases, the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23 becomes thinner. And, it becomes possible to keep the total voltage applied to the whole low.

制御電極26に所定の電圧が印加されることで、第1量子井戸層22中の量子準位と第2量子井戸層(電荷蓄積層)24中の量子準位とが共鳴を起こし、第2量子井戸層24に達した電子が、第2量子井戸層24にトラップされる。本実施形態では、第2量子井戸層(電荷蓄積層)24として、例えば誘電率300の高誘電率を有する層厚が0.55nmのSrTiO膜を用いている。本実施形態では、第2量子井戸層(電荷蓄積層)24の成膜方法の一例として、二つのターゲット(SrTiOターゲットとSrRuOターゲット)を用いて、酸素/窒素/Ar混合ガスの雰囲気内で同時スパッタリング(Co-sputter)することで、SrTiO膜中にRuを導入する。ここで、成膜時の窒素量を制御することで窒素を膜中に導入している。成膜した後、窒素/酸素混合雰囲気中でアニール処理を施している。 When a predetermined voltage is applied to the control electrode 26, the quantum level in the first quantum well layer 22 and the quantum level in the second quantum well layer (charge storage layer) 24 cause resonance, and the second Electrons reaching the quantum well layer 24 are trapped in the second quantum well layer 24. In the present embodiment, as the second quantum well layer (charge storage layer) 24, for example, an SrTiO 3 film having a high dielectric constant of 300 and a thickness of 0.55 nm is used. In the present embodiment, as an example of a film formation method of the second quantum well layer (charge storage layer) 24, two targets (SrTiO 3 target and SrRuO 3 target) are used, and an atmosphere of oxygen / nitrogen / Ar mixed gas is used. Ru is introduced into the SrTiO 3 film by simultaneous sputtering (Co-sputter). Here, nitrogen is introduced into the film by controlling the amount of nitrogen during film formation. After film formation, annealing is performed in a nitrogen / oxygen mixed atmosphere.

本実施形態において、成膜時に導入したRu量は、面密度にして例えば、8×1013cm−2であり、これにより大きな蓄積電荷量を得ることができる。また、導入された窒素量は、およそ9×1013cm−2であった。この時、RuはSrTiOギャップ中に準位を形成し、準位中には電子がおよそ50%だけ詰っている。Ru量とほぼ等量の窒素の導入により、準位内の一つ分の電子の状態が空席になっており、0.3eV程度のレベル低下がある。残りのおよそ50%には、図6に示したように、一部あるいは全部に電子を詰め込むことが可能である。また、詰っているおよそ50%の電子を、一部又は全部を引き抜くことも可能である。つまりデータ消去時に、過剰に電子を引き抜くことが容易であり、又はホールを注入することも容易であり、閾値電圧をマイナス側にまでシフトさせることが可能である。このような構成にすることにより、短時間の電圧印加によって閾値変動を大きくすることができ、記憶動作及び消去動作に有利となる。 In this embodiment, the Ru amount introduced at the time of film formation is, for example, 8 × 10 13 cm −2 in terms of surface density, and a large accumulated charge amount can be obtained. The amount of nitrogen introduced was approximately 9 × 10 13 cm −2 . At this time, Ru forms a level in the SrTiO 3 gap, and the level is clogged with about 50% of electrons. By introducing nitrogen in an amount almost equal to the amount of Ru, the state of one electron in the level is vacant, and there is a level drop of about 0.3 eV. As shown in FIG. 6, electrons can be packed in part or all of the remaining 50%. It is also possible to draw out some or all of the clogged electrons of about 50%. That is, when erasing data, it is easy to extract electrons excessively, or it is easy to inject holes, and the threshold voltage can be shifted to the minus side. With such a configuration, the threshold fluctuation can be increased by applying a voltage for a short time, which is advantageous for a storage operation and an erasing operation.

従来のシリコン窒化膜では、ホールをトラップさせたり、電子を過剰に抜いたりすることは、非常に困難であり、このため十分な閾値変動幅が確保できていない。これに対して、本実施形態によれば、電子の過剰引き抜き(或いは、ホール注入による過剰消去)による大きな閾値変動幅を確保でき、かつ高速消去が可能である。同様のことは、多量にSiを導入した金属化したSiNを電荷蓄積層として用いた場合でも可能だが、その場合については、後述の第3実施形態で説明する。   In the conventional silicon nitride film, it is very difficult to trap holes or to remove electrons excessively, and thus a sufficient threshold fluctuation range cannot be secured. On the other hand, according to this embodiment, a large threshold fluctuation range due to excessive extraction of electrons (or excessive erasure by hole injection) can be secured, and high-speed erasure is possible. The same thing is possible even when metalized SiN into which a large amount of Si is introduced is used as the charge storage layer, but this case will be described in a third embodiment to be described later.

更に、本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24は、RuとNが添加されたSrTiOからなっているので、図9に示すように、電荷蓄積のエネルギー準位が非常に深い位置に存在している。そのため、電荷の漏れは、第2量子井戸層に、金属化していないシリコン窒化物を用いた場合と比較して、桁違いに抑制されることになる。電荷蓄積層24がチタン酸化物の場合、図9に示すように、第2障壁層23と第2量子井戸層24との障壁高さ(オフセット)ΔEcは3.5eVと非常に大きく、トラップ準位ΔEtも、電荷蓄積層24に添加する物質がRuであれば、約1.7eVと非常に大きくなる。なお、金属化していないシリコン窒化物を電荷蓄積層として用いた場合は、ΔEc≒1.1eV、ΔEt≒0.8eVである。さらに、本実施形態のように窒素、炭素、ホウ素、又は低価数物質(Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLu)を導入することで、トラップ準位ΔEtを大きくできるので、さらに保持特性の向上が見込まれる。 Furthermore, since the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this embodiment is made of SrTiO 3 to which Ru and N are added, as shown in FIG. 9, the energy level of charge storage is very high. It exists in a deep position. Therefore, charge leakage is suppressed by orders of magnitude compared to the case where silicon nitride which is not metallized is used for the second quantum well layer. When the charge storage layer 24 is made of titanium oxide, as shown in FIG. 9, the barrier height (offset) ΔEc between the second barrier layer 23 and the second quantum well layer 24 is as very large as 3.5 eV, and the trap level If the substance added to the charge storage layer 24 is Ru, the position ΔEt is also very large at about 1.7 eV. When silicon nitride that is not metallized is used as the charge storage layer, ΔEc≈1.1 eV and ΔEt≈0.8 eV. Further, as in the present embodiment, nitrogen, carbon, boron, or low-valence substance (Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, By introducing Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, or Lu), the trap level ΔEt can be increased, so that the retention characteristics can be further improved.

なお、添加物質によって、トラップ準位ΔEtは変化するが、本実施形態で挙げる添加物質(Tc,Re,Ru,Os,Rh,Ir,Pd,Pt,Co,Ni,W,Mo,Cr,Mn,Fe)では、0.5eV以上を確保することができる。本実施形態のように窒素、炭素、ホウ素又は低価数物質(Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLu)を導入することで、トラップ準位ΔEtを0.3eV程度大きくすることができる。   Although the trap level ΔEt varies depending on the additive material, the additive materials (Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Co, Ni, W, Mo, Cr, Mn) mentioned in this embodiment are used. , Fe), 0.5 eV or more can be secured. As in this embodiment, nitrogen, carbon, boron, or low-valent substance (Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy , Ho, Er, Tm, Yb, or Lu), the trap level ΔEt can be increased by about 0.3 eV.

また、電荷蓄積層24の母体材料にHf酸化物またはZr酸化物を用いた場合には、ΔEcは約2.0eVとチタン酸化物よりも小さくなる。しかし、トラップ準位がチタン酸化物の場合よりも深くなり、トラップ準位ΔEtは1.5eVを確保できる。このように本実施形態では、トラップ準位の深さ(図9に示すオフセットΔEcとトラップ準位ΔEtとの和)が非常に深くなる材料を特定し、蓄積電荷が抜けるのを阻止する能力が大きい利点を利用している。さらに、本実施形態のように窒素、炭素、ホウ素又は低価数物質(Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、またはLu)を導入することで、トラップ準位ΔEtを大きくできるので、さらに保持特性の向上が見込まれる。   When Hf oxide or Zr oxide is used as the base material of the charge storage layer 24, ΔEc is about 2.0 eV, which is smaller than that of titanium oxide. However, the trap level becomes deeper than in the case of titanium oxide, and the trap level ΔEt can be secured to 1.5 eV. As described above, in the present embodiment, a material having a very deep trap level (the sum of the offset ΔEc and the trap level ΔEt shown in FIG. 9) is specified, and the ability to prevent the stored charge from escaping. Take advantage of great benefits. Further, as in this embodiment, nitrogen, carbon, boron, or low-valence substance (Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb , Dy, Ho, Er, Tm, Yb, or Lu), the trap level ΔEt can be increased, so that the retention characteristics can be further improved.

また、電荷蓄積層24にTiと、Zr(またはHf)とが含まれる場合には、その割合に従ってバンドギャップが生成されると考えれば、あとは全く同じである。例えば、Sr(Ti,Zr)Oは、有力な母体材料であり、TiまたはZrをRuにより置換すれば、有効な電荷蓄積層を形成することができる。 In addition, when the charge storage layer 24 contains Ti and Zr (or Hf), it is exactly the same if the band gap is generated according to the ratio. For example, Sr (Ti, Zr) O 3 is a powerful base material, and an effective charge storage layer can be formed by replacing Ti or Zr with Ru.

また本実施形態においては、第3障壁層25として、障壁幅が6nmのAl膜を用い、制御電極26としてTaN膜を用いている。 In the present embodiment, an Al 2 O 3 film having a barrier width of 6 nm is used as the third barrier layer 25, and a TaN film is used as the control electrode 26.

ここで、図8を参照して、本実施形態に係るメモリセルの動作を説明する。第1および第2量子井戸層22、24内の電子側の量子準位は、それぞれ、p型シリコン基板10の伝導帯底を基準にして、およそ1.5eV,2.5eVの位置にある。また、ホール側の量子準位は、p型シリコン基板10の価電子帯の頂上を基準にして、3.0eV,4.2eVの位置にある。ここで、SiOからなる第1および第2障壁層21、23の障壁幅はそれぞれ2.5nm、1.0nmであり、Siからなる第1量子井戸層22の井戸幅が0.5nm、Ruが添加されたSrTiOからなる第2量子井戸層24の井戸幅が0.55、Al2O3からなる第3障壁層25の障壁幅が6nmであるので、ゲート20の積層構造全体のEOTは、5.7nm(=2.5+0.5/3+1+0.55/25+6/3)となる。 Here, the operation of the memory cell according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The quantum levels on the electron side in the first and second quantum well layers 22 and 24 are at positions of about 1.5 eV and 2.5 eV, respectively, with respect to the conduction band bottom of the p-type silicon substrate 10. Further, the quantum level on the hole side is at a position of 3.0 eV, 4.2 eV with respect to the top of the valence band of the p-type silicon substrate 10. Here, the barrier widths of the first and second barrier layers 21 and 23 made of SiO 2 are 2.5 nm and 1.0 nm, respectively, and the well width of the first quantum well layer 22 made of Si is 0.5 nm, Ru Since the well width of the second quantum well layer 24 made of SrTiO 3 to which is added is 0.55 and the barrier width of the third barrier layer 25 made of Al 2 O 3 is 6 nm, the EOT of the entire stacked structure of the gate 20 is 5 0.7 nm (= 2.5 + 0.5 / 3 + 1 + 0.55 / 25 + 6/3).

a)書き込
制御電極26に+5.7Vを加えると、第1および第2障壁層21、23では、それぞれ、2.5V(=5.7V×(2.5nm/5.7nm))、1.0V(=5.7V×(1.0nm/5.7nm))の電圧降下が起こる。この時、p型Si基板10の価電子帯の頂上と、第1量子井戸層22の量子準位と、第2量子井戸層23の量子準位が一致して、電子の共鳴が起こる。これにより、書きこみ動作が可能となる。
a) Addition of write <br/> + 5.7 V to the control electrode 26, the first and second barrier layers 21 and 23, respectively, 2.5V (= 5.7V × (2.5nm / 5. 7 nm)), 1.0 V (= 5.7 V × (1.0 nm / 5.7 nm)). At this time, the top of the valence band of the p-type Si substrate 10, the quantum level of the first quantum well layer 22, and the quantum level of the second quantum well layer 23 coincide, and electron resonance occurs. As a result, a writing operation can be performed.

NAND型フラッシュメモリでは、メモリセルが直列に接続されて一列に連なったNANDセルのうち、書き込むメモリセル以外は、チャネルを開いた導通状態にする。つまり書き込み後の最大閾値電圧以上の電圧であって、書き込み電圧以下の電圧を制御電極26に印加することで、書き込むメモリセル以外はメモリセルのMOSトランジスタをON状態とする。その意味では書き込み電圧をある程度高い値にする必要が出てくるが、本実施形態では、後に示すように、層厚を変えることでかなり自由に書き込み電圧が制御できる。   In the NAND flash memory, among the NAND cells connected in series and connected in series, except for the memory cells to be written, the channel is opened and the conductive state is opened. That is, by applying to the control electrode 26 a voltage that is equal to or higher than the maximum threshold voltage after writing and lower than the writing voltage, the MOS transistors of the memory cells other than the memory cell to be written are turned on. In that sense, it is necessary to increase the write voltage to some extent, but in this embodiment, as will be described later, the write voltage can be controlled fairly freely by changing the layer thickness.

b)消去
制御電極26に−6.8Vを加えると、第1および第2障壁層21、23では、それぞれ、3.0V(=6.8V×(2.5nm/5.7nm))、1.2V(=6.8V×(1.0nm/5.7nm))の電圧上昇が起こる。この時、p型Si基板10の価電子帯の頂上と、第1量子井戸層22の量子準位と、第2量子井戸層24の量子準位が一致して、ホールの共鳴が起こる。これにより、ホールが流れ込むので、ホールによる消去動作が可能となる。
b) When −6.8 V is applied to the erase control electrode 26, the first and second barrier layers 21 and 23 are 3.0 V (= 6.8 V × (2.5 nm / 5.7 nm)), 1 A voltage increase of 0.2 V (= 6.8 V × (1.0 nm / 5.7 nm)) occurs. At this time, the top of the valence band of the p-type Si substrate 10, the quantum level of the first quantum well layer 22, and the quantum level of the second quantum well layer 24 coincide with each other, and hole resonance occurs. As a result, holes flow, and an erasing operation by holes becomes possible.

c)読み出し
NAND型フラッシュメモリでは、メモリセルが直列に接続されて一列に連なったNANDセルのうち、読み出すメモリセル以外は、チャネルを開いた導通状態にする。つまり書き込み後の最大閾値電圧以上の電圧であり、書き込み電圧以下の電圧を制御電極26に印加することで、読み出すメモリセル以外はメモリセルのMOSトランジスタをON状態とする。読み出すメモリセルは、設定電圧の印加時に、導通状態となるか、非導通状態となるかを測定することで、蓄積データの状態を検出することになる。
c) In the read NAND flash memory, among the NAND cells connected in series and connected in series, except for the read memory cells, the channels are opened and in a conductive state. That is, by applying a voltage that is equal to or higher than the maximum threshold voltage after writing and is equal to or lower than the writing voltage to the control electrode 26, the MOS transistors of the memory cells other than the memory cell to be read are turned on. The memory cell to be read detects the state of stored data by measuring whether the memory cell is in a conductive state or a non-conductive state when a set voltage is applied.

d)多値化
電荷注入による準位上昇を使った注入制御(多値化)が出来る。電荷注入により、電荷蓄積層の量子準位がずれると、共鳴しなくなる。これは、準位に注入された電子の相関エネルギー(electron correlation energy)によって起こる。書き込みたいセルに共鳴電圧を印加する。すると電子が高速注入される。電子の相関エネルギーにより、第2量子井戸層24内の量子準位が書き込まれた量に応じて上昇する。そして、十分に電子が注入されると、共鳴状態からずれ、自動的に電子注入が終わる。ここで注入量が足りない時は、印加電圧を上昇させれば良い。このようにして、注入される電子の量を精度良く一定の範囲に制限することが出来る。つまり、第一の閾値を決めた時、その第一の閾値の分布幅を十分に狭くすることが出来ことが分かる。次に、共鳴する電圧を加えることで、第二の閾値が決まり、その第二の閾値の分布幅も十分に狭くすることが出来る。以上を繰り返すことで、メモリセルの多値化が簡単に出来ることがわかる。また、各閾値の分布幅が狭いことから、低電圧化が可能となる。
d) It is possible to perform injection control (multi-leveling) using level increase by multi- level charge injection. When the quantum level of the charge storage layer shifts due to charge injection, resonance does not occur. This is caused by the electron correlation energy of electrons injected into the level. Apply a resonance voltage to the cell to be written. Then, electrons are injected at high speed. Due to the correlation energy of electrons, the quantum level in the second quantum well layer 24 rises according to the amount written. When electrons are sufficiently injected, the resonance state is deviated and the electron injection automatically ends. Here, when the injection amount is insufficient, the applied voltage may be increased. In this way, the amount of injected electrons can be accurately limited to a certain range. That is, it can be seen that when the first threshold value is determined, the distribution width of the first threshold value can be sufficiently narrowed. Next, by applying a resonant voltage, the second threshold value is determined, and the distribution width of the second threshold value can be sufficiently narrowed. It can be seen that by repeating the above, the memory cell can be easily multi-valued. Moreover, since the distribution width of each threshold is narrow, the voltage can be reduced.

電子及び、ホール(正孔)の共鳴が起こるための条件について図10および図11を参照して説明する。   A condition for causing resonance of electrons and holes will be described with reference to FIGS.

量子井戸の内部に出来るエネルギー準位を以下のように定義する。Si基板の伝導帯底位置を基準にして、第1量子井戸層内の伝導帯側の量子レベルをEC1(n)(n=1,2,3・・・)と記す。同様に、第2量子井戸層内の伝導帯側の量子準位をEC2(n)(n=1,2,3・・・)と記す。ここで、Cは伝導帯(conduction band)を意味し、nは量子数(正の整数)である。また、Si基板の価電子帯の頂上位置を基準にして、第1量子井戸層内の価電子帯側の量子準位をEV1(n)(n=1,2,3・・・)と記す。同様に、第2量子井戸層内の価電子帯側の量子レベルをEV2(n)(n=1,2,3・・・)と記す。ここで、Vは価電子帯(valence band)を意味し、nは量子数(正の整数)である。   The energy level generated inside the quantum well is defined as follows. With reference to the bottom position of the conduction band of the Si substrate, the quantum level on the conduction band side in the first quantum well layer is denoted as EC1 (n) (n = 1, 2, 3,...). Similarly, the quantum level on the conduction band side in the second quantum well layer is denoted as EC2 (n) (n = 1, 2, 3,...). Here, C means a conduction band, and n is a quantum number (a positive integer). In addition, with reference to the top position of the valence band of the Si substrate, the quantum level on the valence band side in the first quantum well layer is denoted as EV1 (n) (n = 1, 2, 3,...). . Similarly, the quantum level on the valence band side in the second quantum well layer is denoted as EV2 (n) (n = 1, 2, 3,...). Here, V means a valence band, and n is a quantum number (a positive integer).

まず、電子の共鳴による書き込みについて考える。p型Si基板のフェルミ準位(p型基板なので価電子帯の頂上に近い)と、第1量子井戸層22内の量子準位のエネルギー差は、およそ1.0eV+EC1(1)である。ここで、1.0eVという数値は、フェルミ準位とSiの伝導帯の底とのエネルギー差を意味している。第1量子井戸層22内、第2量子井戸層24内の量子レベルのエネルギー差は、およそEC2(1)−EC1(1)である。これら二つの値の比が、第1および第2障壁層21、23での電圧降下の比に一致すると、その電圧において電子の共鳴が発生することになる。つまり、次の関係式
[1.0+EC1(1)]:[EC2(1)−EC1(1)]
= 第1障壁層21の障壁幅(EOT):第2障壁層23の障壁幅(EOT)
を満たす時、フェルミ準位、第1量子井戸層22内のEC1(1)、第2量子井戸層24内のEC2(1)が全て一致して、電子の共鳴トンネルが起こることになる。
First, consider writing by electron resonance. The energy difference between the Fermi level of the p-type Si substrate (close to the top of the valence band because it is a p-type substrate) and the quantum level in the first quantum well layer 22 is approximately 1.0 eV + EC1 (1). Here, a numerical value of 1.0 eV means an energy difference between the Fermi level and the bottom of the Si conduction band. The energy difference between the quantum levels in the first quantum well layer 22 and the second quantum well layer 24 is approximately EC2 (1) −EC1 (1). When the ratio of these two values coincides with the ratio of the voltage drop in the first and second barrier layers 21 and 23, electron resonance occurs at that voltage. That is, the following relational expression [1.0 + EC1 (1)]: [EC2 (1) −EC1 (1)]
= Barrier width (EOT) of first barrier layer 21: Barrier width (EOT) of second barrier layer 23
When the above conditions are satisfied, the Fermi level, EC1 (1) in the first quantum well layer 22, and EC2 (1) in the second quantum well layer 24 all coincide, and an electron resonant tunneling occurs.

但し、電子の熱分布があるので、基板にある電子はp型Si基板のフェルミ準位から最大0.3eV程度の分布が許される。つまり、第一項[1.0+EC1(1)]は多少、小さくできることになる。例えば、第1障壁層21が設計値と比べ多少薄くなっても、或いは、第2障壁層が設計値と比べ多少厚くなってもよいことが分かる。   However, since there is a heat distribution of electrons, the electrons on the substrate are allowed to distribute up to about 0.3 eV from the Fermi level of the p-type Si substrate. That is, the first term [1.0 + EC1 (1)] can be made somewhat small. For example, it can be seen that the first barrier layer 21 may be slightly thinner than the design value, or the second barrier layer 21 may be slightly thicker than the design value.

また、基板のドープ量によっては、フェルミ準位は価電子帯の頂上付近となる。この時、Si基板の伝導帯の底から1.12eVの距離を持つことなる。つまり、第一項[1.0+EC1(1)]は多少大きくできることになる。例えば、第1障壁層21が設計値と比べ多少厚くなっても、或いは、第2障壁層23が設計値と比べ多少薄くなってもよいことが分かる。   Depending on the doping amount of the substrate, the Fermi level is near the top of the valence band. At this time, it has a distance of 1.12 eV from the bottom of the conduction band of the Si substrate. That is, the first term [1.0 + EC1 (1)] can be made somewhat larger. For example, it can be seen that the first barrier layer 21 may be slightly thicker than the design value, or the second barrier layer 23 may be slightly thinner than the design value.

上記の内容を式にまとめると以下のようになる。ここで、EC1,EC2はそれぞれ、第1量子井戸層22、第2量子井戸層24の内部の量子準位であり、電圧を変化させるときに一致する準位である。
[0.7eV+EC1]/[EC2−EC1]≦[第1障壁層の障壁幅]/[第2障壁層の障壁幅]≦[1.12eV+EC1]/[EC2−EC1]
The above contents can be summarized as follows. Here, EC1 and EC2 are the quantum levels inside the first quantum well layer 22 and the second quantum well layer 24, respectively, which are levels that coincide when the voltage is changed.
[0.7 eV + EC1] / [EC2-EC1] ≦ [barrier width of the first barrier layer] / [barrier width of the second barrier layer] ≦ [1.12 eV + EC1] / [EC2-EC1]

この式が成り立つには、エネルギー準位を変化させても良いが、障壁幅を変化させても良いということが分かる。   It can be seen that the energy level may be changed, but the barrier width may be changed for this equation to hold.

次に、ホールの共鳴による消去について考える。Si基板の価電子頂上と、第1量子井戸層22内の量子準位とのエネルギー差をEV1(1)と表しているので、第1量子井戸層22、第2量子井戸層24内の量子準位のエネルギー差は、EV2(1)−EV1(1)である。これら二つの値の比が、第1および第2障壁層21、23の電圧降下の比に一致すると、その電圧においてホールの共鳴が発生することになる。つまり、次に関係式
[EV1(1)]:[EV2(1)−EV1(1)]
= 第1障壁層の障壁幅(EOT):第2障壁層の障壁幅(EOT)
を満たせば共鳴が発生する。但し、Si基板価電子頂上では、ホールの熱分布があるので、最大0.3eVの分布は許される。 例えば、第一項[EV1(1)]は多少小さくできることになる。例えば、第1障壁が設計と比べ多少薄くなっても、或いは、第2障壁が設計と比べ多少厚くなってもよいことが分かる。
Next, let us consider erasing by hole resonance. Since the energy difference between the top of the valence electrons of the Si substrate and the quantum level in the first quantum well layer 22 is expressed as EV1 (1), the quantum in the first quantum well layer 22 and the second quantum well layer 24 The energy difference between the levels is EV2 (1) −EV1 (1). If the ratio of these two values matches the voltage drop ratio of the first and second barrier layers 21 and 23, hole resonance occurs at that voltage. That is, the following relational expression [EV1 (1)]: [EV2 (1) -EV1 (1)]
= Barrier width (EOT) of first barrier layer: Barrier width (EOT) of second barrier layer
If this is satisfied, resonance occurs. However, since there is a heat distribution of holes at the top of the Si substrate valence electrons, a maximum distribution of 0.3 eV is allowed. For example, the first term [EV1 (1)] can be made somewhat small. For example, it can be seen that the first barrier may be slightly thinner than the design, or the second barrier may be somewhat thicker than the design.

また、基板のドープ量によっては、フェルミレベルは価電子帯の頂上よりも高い位置になる。この時、Si基板の価電子帯の頂上から最大0.2eV程度の距離を持つことなる。つまり、第一項[EV1(1)]は多少大きくできることになる。例えば、第1障壁が設計と比べ多少厚くなっても、或いは、第2障壁が設計と比べ多少薄くなってもよいことが分かる。   Further, depending on the doping amount of the substrate, the Fermi level is higher than the top of the valence band. At this time, it has a maximum distance of about 0.2 eV from the top of the valence band of the Si substrate. That is, the first term [EV1 (1)] can be made somewhat larger. For example, it can be seen that the first barrier may be somewhat thicker than the design, or the second barrier may be slightly thinner than the design.

上記の内容を式にまとめると以下のようになる。ここで、EV1,EV2はそれぞれ、第1量子井戸層、第2量子井戸層の内部の量子準位であり、電圧を変化させるときに一致する準位である。
[EV1−0.3eV]/[EV2−EV1]≦[第1障壁層の障壁幅]/[第2障壁層の障壁幅]≦[0.2eV+EV1]/[EV2−EV1]
The above contents can be summarized as follows. Here, EV1 and EV2 are the quantum levels inside the first quantum well layer and the second quantum well layer, respectively, which are coincident levels when the voltage is changed.
[EV1-0.3 eV] / [EV2-EV1] ≦ [barrier width of the first barrier layer] / [barrier width of the second barrier layer] ≦ [0.2 eV + EV1] / [EV2-EV1]

この式を満足させるためには、エネルギー準位を変化させても良いが、障壁幅を変化させても良いということが分かる。   In order to satisfy this expression, it is understood that the energy level may be changed, but the barrier width may be changed.

電子の共鳴による書きこみと、ホールの共鳴による消去がともに成り立つように設計できる場合がある。上記のように、チャネル中の電子やホールは熱分布を持っているので、この分布を使えば、ある程度の幅を許した設計が可能である。本実施形態では、上記のように、+5.7Vでの電子共鳴書きこみ、−6.8Vでのホール共鳴消去が可能である。   There is a case where it can be designed so that both writing by electron resonance and erasing by hole resonance can be realized. As described above, since electrons and holes in the channel have a thermal distribution, a design that allows a certain width is possible by using this distribution. In this embodiment, as described above, electron resonance writing at +5.7 V and hole resonance erasure at -6.8 V can be performed.

第1障壁層、第2障壁層の物理層厚や誘電率を変化させることで、書き込みおよび消去に必要な電圧を調整することが出来る。それは、上記の条件でも分かるように、共鳴により書き込みまたは消去を実現するには、第1および第2障壁層のEOT比だけが重要だからである。例えば、第1実施形態において、第1障壁層のEOT:第2障壁層のEOT=2.5:1.0=1.25:0.5=3.75:1.5と変えた第1乃至第3の場合を考えてみよう。この時、全EOTはそれぞれ、5.7、3.9、7.4nmと変化する(図8参照)。第1場合(本実施形態)は、書き込み電圧が5.7V、消去電圧が−6.8Vとなり、第2の場合は、書き込み電圧が7.8V、消去電圧が−9.4Vとなり、第3の場合は、書き込み電圧が4.9V、消去電圧が−5.9Vとなる。第1、第2障壁層21、23の厚みを薄くすると、全EOTが減り、これらの障壁に配分される電圧は小さくなるので、印加電圧は大きくする必要がある。   By changing the physical layer thickness and dielectric constant of the first barrier layer and the second barrier layer, the voltage required for writing and erasing can be adjusted. This is because, as can be seen from the above conditions, only the EOT ratio of the first and second barrier layers is important for realizing writing or erasing by resonance. For example, in the first embodiment, EOT of the first barrier layer: EOT of the second barrier layer = 2.5: 1.0 = 1.25: 0.5 = 3.75: 1.5 Consider the third case. At this time, the total EOT changes to 5.7, 3.9, and 7.4 nm, respectively (see FIG. 8). In the first case (this embodiment), the write voltage is 5.7 V and the erase voltage is −6.8 V, and in the second case, the write voltage is 7.8 V and the erase voltage is −9.4 V. In this case, the write voltage is 4.9V and the erase voltage is −5.9V. If the thicknesses of the first and second barrier layers 21 and 23 are reduced, the total EOT is reduced and the voltage distributed to these barriers is reduced. Therefore, the applied voltage needs to be increased.

また、ブロック層25の厚みや誘電率を変化させてもゲート20の積層構造の全EOTを変化させることが出来るため、書きこみおよび消去に必要な電圧を調整することが出来る。例えば、Alからなるブロック層25の厚みを9nmにすると、本実施形態に比べて、全EOTが1.0nm増加することになる(図8に示す第4の場合)。全EOTが増えると、第1障壁層21、第2障壁層23に配分される電圧が減るので、制御電極26に印可する印加電圧を大きくする必要がある。第1障壁層のEOT:第2障壁層のEOT=2.5:1.0=1.25:0.5=3.75:1.5と変えた第4乃至第6の場合を考える。この時、第4乃至第6の場合の全EOTはそれぞれ、6.7nm、4.9nm、8.4nmと変化する。そして、第4の場合の書き込み電圧が6.7V、消去電圧が−8.0Vとなり、第5の場合の書き込み電圧が9.8V、消去電圧が−11.8Vとなり、第6の場合の書き込み電圧が5.6V、消去電圧が−6.7となる。 Further, even if the thickness and dielectric constant of the block layer 25 are changed, the total EOT of the stacked structure of the gate 20 can be changed, so that the voltage required for writing and erasing can be adjusted. For example, when the thickness of the block layer 25 made of Al 2 O 3 is 9 nm, the total EOT is increased by 1.0 nm as compared with the present embodiment (fourth case shown in FIG. 8). As the total EOT increases, the voltage distributed to the first barrier layer 21 and the second barrier layer 23 decreases, so the applied voltage applied to the control electrode 26 needs to be increased. Consider the fourth to sixth cases where EOT of the first barrier layer: EOT of the second barrier layer = 2.5: 1.0 = 1.25: 0.5 = 3.75: 1.5. At this time, the total EOT in the fourth to sixth cases changes to 6.7 nm, 4.9 nm, and 8.4 nm, respectively. The write voltage in the fourth case is 6.7 V and the erase voltage is -8.0 V, the write voltage in the fifth case is 9.8 V, the erase voltage is -11.8 V, and the write in the sixth case The voltage is 5.6 V and the erase voltage is −6.7.

このように本実施形態による電子の共鳴による書きこみ、ホールの共鳴による消去を用いることで、図4に示すように、高い電流密度を利用することが出来るので、高速書き込みおよび高速消去が可能である。また、共鳴が起きないとき(非共鳴状態)は、リーク電流が極端に低下するので、従来に比べて、書き込まれた電荷を保持する特性に優れている。また、従来にはなかった、この非共鳴状態を使用することで、消去された状態を維持する点ですぐれた特性を発揮する。例えば、1MV/cm以下の低電界では、1.0×10−16A/cm以下が実現できる。 In this way, by using writing by electron resonance and erasing by hole resonance according to the present embodiment, a high current density can be used as shown in FIG. 4, so that high-speed writing and high-speed erasing are possible. is there. In addition, when resonance does not occur (non-resonant state), the leakage current is extremely reduced, so that the characteristics of retaining written charges are superior to the conventional case. In addition, by using this non-resonant state, which has not existed in the past, excellent characteristics are exhibited in that the erased state is maintained. For example, 1.0 × 10 −16 A / cm 2 or less can be realized with a low electric field of 1 MV / cm or less.

更に、読み出し時には、非共鳴状態にある電圧を使うことで、蓄積状態に影響なく読み出し動作が可能となる。従来は、この非共鳴状態を使用していないので、読み出し時にも、蓄積状態が変化するおそれがあったが、本実施形態のように、非共鳴状態を用いれば、蓄積状態への影響を皆無に出来る。つまり、読み出し時(閾値電圧以上、共鳴電圧未満の電圧を印加する時)のリーク電流を1.0×10−9A/cm以下にすることが出来る。従来のメモリ構造では、このリーク電流が1桁から2桁程度大きい値となっており、読み出しリークを如何にして抑えるかという問題があった。しかし、本実施形態の二重量子井戸構造を用いれば、読み出しリークが十分に抑えられることが分かる。 Further, at the time of reading, by using a voltage in a non-resonant state, the reading operation can be performed without affecting the accumulation state. Conventionally, since this non-resonant state is not used, there is a possibility that the accumulation state may change during reading. However, if the non-resonance state is used as in this embodiment, there is no influence on the accumulation state. I can do it. That is, the leakage current at the time of reading (when a voltage higher than the threshold voltage and lower than the resonance voltage is applied) can be set to 1.0 × 10 −9 A / cm 2 or lower. In the conventional memory structure, this leakage current has a value that is about one to two digits larger, and there is a problem of how to suppress read leakage. However, it can be seen that read leakage can be sufficiently suppressed by using the double quantum well structure of the present embodiment.

以上説明したように本実施形態の不揮発性半導体メモリによれば、高速書き込み、高速消去、保持特性向上、読み出し安定化を行うことができる。すなわち「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができる。   As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment, it is possible to perform high-speed writing, high-speed erasing, improved retention characteristics, and stable reading. That is, it is possible to achieve both high speed of “writing and erasing” and improvement of “charge retention characteristics and reading characteristics”.

(第1変形例)
第1実施形態の第1変形例として、電子共鳴を使った消去について説明する。
(First modification)
As a first modification of the first embodiment, erasing using electron resonance will be described.

本変形例では、SiOからなる第1障壁層21の層厚を1nmとし、Siからなる第1量子井戸層22の層厚を0.82nmとし、SiOからなる第2障壁層23の層厚を1nmとしている。この時、図12に示すように、Siからなる第1量子井戸層22の部分は、量子化されており、伝導帯側には、0.55eVの位置に量子準位が出現している。また、価電子帯側には、1.1eV、4.3eVの位置に量子準位出現している。 In this modification, the thickness of the first barrier layer 21 made of SiO 2 is 1 nm, the thickness of the first quantum well layer 22 made of Si is 0.82 nm, and the layer of the second barrier layer 23 made of SiO 2 is used. The thickness is 1 nm. At this time, as shown in FIG. 12, the portion of the first quantum well layer 22 made of Si is quantized, and a quantum level appears at a position of 0.55 eV on the conduction band side. On the valence band side, quantum levels appear at 1.1 eV and 4.3 eV.

次に、本変形例の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24について説明する。
この第2量子井戸層247は、Ruを多量にドープしたSrTiOを採用することによって、バンドギャップ内部に出来た状態がバンドを組み、金属化していると考えられる。第2量子井戸層24の厚みは0.6nmとした。この時、バンドギャップ中の−1.0eVと伝導帯の上の2.1eVに層厚方向に量子化した準位が発現する。ギャップ内の−1.0eVの状態は、層厚方向には量子化されているが、膜面内方向には、金属化していると考えられる。第1量子井戸層22内の準位とのエネルギー差は1.55eVとなる。ここで、+6.7Vを印加すると(図12に示す第1の場合)、Si基板の価電子帯の頂上と、第1量子井戸層22の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位が一致する。つまり、電子共鳴による書きこみが実現する。また、−6.7Vを印加すると、第1量子井戸層22内の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位(−1.0eVにあったギャップ内の準位)が一致する。この時、Si基板は空の準位が連続状態として存在しているので、電子が共鳴を起こし、第2量子井戸層24からSi基板へと抜けることになる。第2量子井戸層24の価電子帯側の量子準位はSiの価電子帯の頂上を基準にして、3.9eVの位置に出現するが、第1量子井戸層22内の量子準位と、Si基板の価電子帯の頂上とが一致することはないので、ホールの共鳴状態は発現しない。
Next, the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this modification will be described.
The second quantum well layer 247 is considered to be metallized by forming a band inside the band gap by using SrTiO 3 doped with a large amount of Ru. The thickness of the second quantum well layer 24 was 0.6 nm. At this time, a level quantized in the layer thickness direction appears at -1.0 eV in the band gap and 2.1 eV above the conduction band. The state of −1.0 eV in the gap is quantized in the layer thickness direction, but is considered to be metallized in the in-plane direction. The energy difference from the level in the first quantum well layer 22 is 1.55 eV. Here, when +6.7 V is applied (first case shown in FIG. 12), the top of the valence band of the Si substrate, the quantum level of the first quantum well layer 22, and the quantum in the second quantum well layer 24 are applied. The levels match. That is, writing by electron resonance is realized. In addition, when −6.7 V is applied, the quantum level in the first quantum well layer 22 and the quantum level in the second quantum well layer 24 (the level in the gap corresponding to −1.0 eV) match. . At this time, since the Si substrate has empty levels in a continuous state, electrons resonate and escape from the second quantum well layer 24 to the Si substrate. The quantum level on the valence band side of the second quantum well layer 24 appears at a position of 3.9 eV with respect to the top of the valence band of Si, and the quantum level in the first quantum well layer 22 is Since the top of the valence band of the Si substrate does not match, the hole resonance state does not appear.

本変形例の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24は、ギャップ内に電荷が蓄積されていると考えられる。この状態は、電子の共鳴を起こさせることで、簡単に消去することが可能である。   In the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this modification, it is considered that charges are stored in the gap. This state can be easily erased by causing electron resonance.

このように本変形例による電子の共鳴による書き込み、電子の共鳴による消去を用いることで、図4に示すように、高い電流密度を利用することができ、これにより高速書きこみおよび高速消去を行うことが可能となる。また、共鳴が起きないとき(非共鳴状態)は、リーク電流が極端に低下するので、従来に比べて、書き込まれた電荷を保持する特性に優れている。また、従来にはなかった、この非共鳴状態を使用することで、消去された状態を維持する点で優れた特性を発揮する。更に、読み出し時には、非共鳴状態にある電圧を使うことで、蓄積状態に影響なく読み出し動作が可能となる。従来は、この非共鳴状態を使用しなかったので、読み出し時にも、蓄積状態が変化する危険があったが、本変形例の非共鳴状態を使えば、蓄積状態への影響を皆無に出来る。   In this way, by using writing by electron resonance and erasing by electron resonance according to the present modification, a high current density can be used as shown in FIG. 4, thereby performing high-speed writing and high-speed erasing. It becomes possible. In addition, when resonance does not occur (non-resonant state), the leakage current is extremely reduced, so that the characteristics of retaining written charges are superior to the conventional case. In addition, by using this non-resonant state, which has not existed in the past, it exhibits excellent characteristics in maintaining the erased state. Further, at the time of reading, by using a voltage in a non-resonant state, the reading operation can be performed without affecting the accumulation state. Conventionally, since this non-resonant state was not used, there was a risk that the accumulation state would change even at the time of reading. However, if the non-resonance state of this modification is used, the influence on the accumulation state can be completely eliminated.

印加電圧は、第1障壁層21、第2障壁層23、第3障壁層25の厚みや誘電率を変えることで調整が可能である。例えば、Alからなる第3障壁層25の層厚を9nmとすれば、+8.2Vでの電子共鳴書きこみ、−8.2Vでの電子共鳴消去となる。また、例えば、図12に示す第2の場合のように、第1、第2障壁層の障壁幅を両方とも2nmにすれば、+4.9Vでの電子共鳴書き込み、−4.9Vでの電子共鳴消去となる。 The applied voltage can be adjusted by changing the thickness and dielectric constant of the first barrier layer 21, the second barrier layer 23, and the third barrier layer 25. For example, if the thickness of the third barrier layer 25 made of Al 2 O 3 is 9 nm, electron resonance writing at +8.2 V and electron resonance erasing at −8.2 V are performed. Also, for example, as in the second case shown in FIG. 12, if both the first and second barrier layers have a barrier width of 2 nm, electron resonance writing at +4.9 V and electrons at -4.9 V are performed. Resonance elimination.

以上説明したように本変形例の不揮発性半導体メモリによれば、高速書きこみ、高速消去、保持特性向上、読み出し安定化を行うことができる。すなわち「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができる。   As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory of this modification, it is possible to perform high-speed writing, high-speed erasing, improvement in retention characteristics, and reading stabilization. That is, it is possible to achieve both high speed of “writing and erasing” and improvement of “charge retention characteristics and reading characteristics”.

(第2変形例)
第2変形例として、第2量子井戸層を多重量子井戸にした場合について説明する。第2量子井戸層24の部分をRuとNをドープしたSrTiOの単層膜ではなく、Ru,NドープSrTiO膜(0.55nm)/Al障壁膜(3nm)/Ru,NドープSrTiO膜(0.55nm)という構造にする。この時、両側のRu,NドープSrTiO膜(0.55nm)には、量子準位が発生している。間に挟んだAl障壁膜を介して相互作用するので、図7に示すように、準位が0.1eV程度の幅を持つことになる。このように幅を持たせることで、共鳴を起こす電圧に幅を持たせることが可能となり、制御性が向上するとともに、より高速な書き込みが可能となる。
(Second modification)
As a second modification, a case where the second quantum well layer is a multiple quantum well will be described. The portion of the second quantum well layer 24 is not a single layer film of SrTiO 3 doped with Ru and N, but a Ru, N-doped SrTiO 3 film (0.55 nm) / Al 2 O 3 barrier film (3 nm) / Ru, N The structure is a doped SrTiO 3 film (0.55 nm). At this time, quantum levels are generated in the Ru, N-doped SrTiO 3 films (0.55 nm) on both sides. Since the interaction occurs via the Al 2 O 3 barrier film sandwiched therebetween, the level has a width of about 0.1 eV as shown in FIG. By giving such a width, it is possible to give a width to the voltage that causes resonance, thereby improving controllability and enabling higher-speed writing.

本変形例も、第1実施形態と同様に、高速書きこみ、高速消去、保持特性向上、読み出し安定化を行うことができる。すなわち「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができる。   In this modified example, similarly to the first embodiment, high-speed writing, high-speed erasing, improvement of holding characteristics, and reading stabilization can be performed. That is, it is possible to achieve both high speed of “writing and erasing” and improvement of “charge retention characteristics and reading characteristics”.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による不揮発性半導体メモリについて説明する。
本実施形態の不揮発性半導体メモリは、第1実施形態の不揮発性半導体メモリ(電荷蓄積型メモリ)と基本構造は同じである。第1実施形態とは、第2量子井戸層(電荷蓄積層)24として、燐(P)が多量にドープされたポリシリコンを用いている点が異なっている。
(Second Embodiment)
Next, a nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention is described.
The non-volatile semiconductor memory of this embodiment has the same basic structure as the non-volatile semiconductor memory (charge storage type memory) of the first embodiment. The second embodiment is different from the first embodiment in that polysilicon doped with a large amount of phosphorus (P) is used as the second quantum well layer (charge storage layer) 24.

まず、第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23によって、量子井戸が形成される点は第1実施形態と同様である。第2実施形態では、SiOからなる第1障壁層21の層厚を2.82nmとし、Siからなる第1量子井戸層22の層厚を0.82nmとし、SiOからなる第2障壁層23の層厚を1.0nmとしている。この時、図13に示すように、Siからなる第1量子井戸層22の部分は、量子化されており、伝導帯側には、0.55eVの位置に量子準位が出現している。また、価電子帯側には、1.1eV,4.3eVの位置に量子準位が出現している。 First, the quantum well is formed by the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23 as in the first embodiment. In the second embodiment, the thickness of the first barrier layer 21 made of SiO 2 is 2.82 nm, the thickness of the first quantum well layer 22 made of Si is 0.82 nm, and the second barrier layer made of SiO 2 is used. The layer thickness of 23 is 1.0 nm. At this time, as shown in FIG. 13, the portion of the first quantum well layer 22 made of Si is quantized, and a quantum level appears at a position of 0.55 eV on the conduction band side. On the valence band side, quantum levels appear at 1.1 eV and 4.3 eV.

次に、本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24について説明する。
この第2量子井戸層24は、燐(P)を多量にドープしたSiを採用することによって、伝導帯の底付近が金属化していると考えられる。厚みは1nmとした。この時、伝導帯直上(0.0eV)と、1.1eVとに層厚方向に量子化した準位が発現する。第1量子井戸層22内の準位とのエネルギー差は0.55eVとなる。ここで、制御電極26に+2.8Vの電圧を印加すると、Si基板の価電子帯の頂上と、第1量子井戸層22内の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位が一致する。つまり、電子共鳴による書き込みが実現する。また、−2.8Vを制御電極26に印加すると、第1量子井戸層22内の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位(0.0eVにあった準位)が一致する(図13に示す第1の場合)。この時、Si基板は空の準位が連続状態として存在しているので、電子が共鳴を起こし、第2量子井戸層からSi基板へと抜けることになる。第2量子井戸層24の価電子帯側の量子準位はSi価電子帯の頂上を基準にして、0.75eV、3.0eVの位置に出現するが、第1量子井戸層22内の量子準位と、Si基板の価電子帯の頂上とが一致することはないので、ホールの共鳴状態は発現しない。
Next, the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this embodiment will be described.
The second quantum well layer 24 is considered to be metallized near the bottom of the conduction band by employing Si doped with a large amount of phosphorus (P). The thickness was 1 nm. At this time, a level quantized in the layer thickness direction appears just above the conduction band (0.0 eV) and 1.1 eV. The energy difference from the level in the first quantum well layer 22 is 0.55 eV. Here, when a voltage of +2.8 V is applied to the control electrode 26, the top of the valence band of the Si substrate, the quantum level in the first quantum well layer 22, and the quantum level in the second quantum well layer 24 are changed. Match. That is, writing by electron resonance is realized. In addition, when −2.8 V is applied to the control electrode 26, the quantum level in the first quantum well layer 22 and the quantum level in the second quantum well layer 24 (level corresponding to 0.0 eV) coincide. (First case shown in FIG. 13). At this time, since the Si substrate has empty levels in a continuous state, electrons resonate and escape from the second quantum well layer to the Si substrate. The quantum level on the valence band side of the second quantum well layer 24 appears at positions of 0.75 eV and 3.0 eV with respect to the top of the Si valence band, but the quantum level in the first quantum well layer 22 is not limited. Since the level does not coincide with the top of the valence band of the Si substrate, the resonance state of the hole does not appear.

本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24は、燐を多量にドープしているため、伝導帯の底付近に電荷が蓄積されていると考えられる。この状態は、電子の共鳴を起こさせることで、簡単に消去することが可能である。   Since the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this embodiment is doped with a large amount of phosphorus, it is considered that charges are stored near the bottom of the conduction band. This state can be easily erased by causing electron resonance.

このように本実施形態による電子の共鳴による書き込み、電子の共鳴による消去を用いることで、図4に示すように、高い電流密度を利用することが出来るので、高速書きこみ・高速消去が可能である。また、共鳴が起きないとき(非共鳴状態)は、リーク電流が極端に低下するので、従来に比べて、書き込まれた電荷を保持する特性に優れている。また、従来にはなかった、この非共鳴状態を使用することで、消去された状態を維持する点で優れた特性を発揮する。更に、読み出し時には、非共鳴状態にある電圧を使うことで、蓄積状態に影響なく読み出し動作が可能となる。従来は、この非共鳴状態を使用しなかったので、読み出し時にも、蓄積状態が変化するおそれがあったが、本実施形態の非共鳴状態を使えば、蓄積状態への影響を皆無に出来る。   In this way, by using writing by electron resonance and erasing by electron resonance according to the present embodiment, a high current density can be used as shown in FIG. 4, so that high-speed writing and high-speed erasing are possible. is there. In addition, when resonance does not occur (non-resonant state), the leakage current is extremely reduced, so that the characteristics of retaining written charges are superior to the conventional case. In addition, by using this non-resonant state, which has not existed in the past, it exhibits excellent characteristics in maintaining the erased state. Further, at the time of reading, by using a voltage in a non-resonant state, the reading operation can be performed without affecting the accumulation state. Conventionally, since this non-resonant state is not used, there is a possibility that the accumulation state may change during reading. However, if the non-resonance state of the present embodiment is used, the influence on the accumulation state can be completely eliminated.

共鳴が起こる電圧(共鳴電圧)は、ある程度大きい方が望ましい。それは、NAND型メモリの場合、「読み出し」や「書き込み」の際、選択されていないセルは、チャネルを開いて、導通状態にする必要があるので、閾値電圧よりも大きな値を制御電極にかけることになる。その段階で非共鳴状態を維持している必要があるので、閾値電圧が共鳴電圧よりも小さいことが望まれるためである。   The voltage at which resonance occurs (resonance voltage) is preferably large to some extent. In the case of a NAND memory, a cell that is not selected needs to open a channel and be in a conductive state at the time of “reading” or “writing”, so that a value larger than the threshold voltage is applied to the control electrode. It will be. This is because the non-resonant state needs to be maintained at that stage, so that the threshold voltage is desired to be smaller than the resonant voltage.

このように大きな共鳴電圧を実現することは、層厚設計や材料選択(誘電率変化)によって可能である。例えば、第1障壁層、第2障壁層、第3障壁層の厚みの変更で実現できる。SiOからなる第1および第2障壁層21、23の厚みを1.13nm、0.4nmとし、Alからなる第3障壁層25の厚みを12nmとするなら、ゲートの積層構造全体のEOTは5.8nmとなり、+7.9Vでの電子共鳴書き込み、−7.9Vでの電子共鳴消去となる(図13に示す第2の場合)。 Such a large resonance voltage can be realized by layer thickness design or material selection (dielectric constant change). For example, this can be realized by changing the thicknesses of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer. If the thicknesses of the first and second barrier layers 21 and 23 made of SiO 2 are 1.13 nm and 0.4 nm, and the thickness of the third barrier layer 25 made of Al 2 O 3 is 12 nm, the entire laminated structure of the gates The EOT of 5.8 nm becomes electron resonance writing at +7.9 V and electron resonance erasing at -7.9 V (second case shown in FIG. 13).

以上説明したように本実施形態の不揮発性半導体メモリによれば、高速書き込み、高速消去、保持特性向上、読み出し安定化を行うことができる。すなわち「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができる。   As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment, it is possible to perform high-speed writing, high-speed erasing, improved retention characteristics, and stable reading. That is, it is possible to achieve both high speed of “writing and erasing” and improvement of “charge retention characteristics and reading characteristics”.

なお、本実施形態においては、第2量子井戸層としてポリシリコンを用いたが、このポリシリコンは成膜が簡単で、生成エンタルピーが同等かより大きなものをトンネル膜やブロック膜に用いているのでポリシリコンが周囲から酸素を取ることはない。   In the present embodiment, polysilicon is used as the second quantum well layer. However, since this polysilicon is easy to form and has a generation enthalpy equivalent or larger, it is used for a tunnel film or a block film. Polysilicon does not take oxygen from the surroundings.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態による不揮発性半導体メモリについて説明する。
本実施形態の不揮発性半導体メモリは、第1実施形態の不揮発性半導体メモリ(電荷蓄積型メモリ)と基本構造は同様である。第1実施形態とは、第2量子井戸層(電荷蓄積層)24として、多量にSiが導入されて金属化したSiNを用いている点が異なる。
(Third embodiment)
Next, the non-volatile semiconductor memory according to the third embodiment will be explained.
The nonvolatile semiconductor memory of this embodiment has the same basic structure as the nonvolatile semiconductor memory (charge storage memory) of the first embodiment. The second embodiment is different from the first embodiment in that the second quantum well layer (charge storage layer) 24 is made of SiN metallized by introducing a large amount of Si.

まず、第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23によって、量子井戸が形成される点は第1実施形態と同じである。第3実施形態では、SiOからなる第1障壁層21の層厚を3.15nmとし、Siからなる第1量子井戸層22の層厚を0.42nmとし、SiOからなる第2障壁層23の層厚を0.55nmとしている。この時、図14に示すように、Siからなる第1量子井戸層22の部分は、量子化されており、伝導帯側には、2.15eVの位置に量子準位が出現している。また、価電子帯側には、4.2eVの位置に量子準位が出現している。 First, the quantum well is formed by the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23 in the same manner as in the first embodiment. In the third embodiment, the layer thickness of the first barrier layer 21 made of SiO 2 is 3.15 nm, the layer thickness of the first quantum well layer 22 made of Si is 0.42 nm, and the second barrier layer made of SiO 2 is used. The layer thickness of 23 is 0.55 nm. At this time, as shown in FIG. 14, the portion of the first quantum well layer 22 made of Si is quantized, and a quantum level appears at a position of 2.15 eV on the conduction band side. On the valence band side, a quantum level appears at a position of 4.2 eV.

次に、本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24について説明する。
この第2量子井戸層24は、Siが多量に導入されて金属化したSiNを採用することによって、伝導帯底から0.8eVギャップ内に入った部分に、金属状態が発生している。SiNにおけるSi量と窒素量との比(=Si量/窒素量)が0.9までは、離散的であるが、そこを超えると金属化する。上記比が0.9では蓄積量が少ない。上記比が0.95以上であれば、蓄積量は十分である。金属だが、層厚方向には量子化しているので、共鳴が起こらない限り、大きなリークは起こらない。本実施形態においては、第2量子井戸層24におけるSi量と窒素量との比を0.95以上とした。厚みは1.1nmとした。この時、Si伝導帯を基準にして、1.6eVと2.7eVに層厚方向に量子化した準位が発現していると考えられる。第1量子井戸層22内の準位とのエネルギー差は0.55eVとなる。ここで、+5.8Vを制御電極26に印加すると、Si基板10の価電子帯の頂上と、第1量子井戸層22の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位が一致する。つまり、電子共鳴による書きこみが実現する。また、−5.8Vを制御電極26に印加すると(図14に示す第1の場合)、第1量子井戸層22内の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位(1.6eVにあった準位)が一致する。この時、Si基板は空の準位が連続状態として存在しているので、電子が共鳴を起こし、第2量子井戸層24からSi基板へと抜けることになる。第2量子井戸層22の価電子帯側の量子準位はSi基板10の価電子帯の頂上を基準にして、3.3eVの位置に出現するが、第1量子井戸層22内の量子準位と、Si基板10の価電子帯の頂上とが一致することはないので、ホールの共鳴状態は発現しない。
Next, the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this embodiment will be described.
The second quantum well layer 24 employs SiN metallized with a large amount of Si introduced therein, so that a metal state is generated in a portion that enters the 0.8 eV gap from the bottom of the conduction band. It is discrete until the ratio of Si amount to nitrogen amount (= Si amount / nitrogen amount) in SiN is up to 0.9. When the ratio is 0.9, the accumulation amount is small. If the ratio is 0.95 or more, the accumulated amount is sufficient. Although it is a metal, it is quantized in the thickness direction, so no major leaks occur unless resonance occurs. In the present embodiment, the ratio of the Si amount and the nitrogen amount in the second quantum well layer 24 is set to 0.95 or more. The thickness was 1.1 nm. At this time, it is considered that levels quantized in the layer thickness direction at 1.6 eV and 2.7 eV are expressed with respect to the Si conduction band. The energy difference from the level in the first quantum well layer 22 is 0.55 eV. Here, when +5.8 V is applied to the control electrode 26, the top of the valence band of the Si substrate 10, the quantum level of the first quantum well layer 22, and the quantum level in the second quantum well layer 24 coincide. . That is, writing by electron resonance is realized. Further, when −5.8 V is applied to the control electrode 26 (first case shown in FIG. 14), the quantum level in the first quantum well layer 22 and the quantum level in the second quantum well layer 24 (1. The levels at 6 eV). At this time, since the Si substrate has empty levels in a continuous state, electrons resonate and escape from the second quantum well layer 24 to the Si substrate. Although the quantum level on the valence band side of the second quantum well layer 22 appears at a position of 3.3 eV with respect to the top of the valence band of the Si substrate 10, the quantum level in the first quantum well layer 22 is present. Since the position and the top of the valence band of the Si substrate 10 do not coincide with each other, the hole resonance state does not appear.

本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24はSiを多量に導入しているため、ギャップ内部に金属状態が発生している。この金属状態は、層厚方向に1.6eVの位置で量子準位を形成していると考えられる。この状態は、第1量子井戸層22内の量子準位と、電子の共鳴を起こさせることで、簡単に電子を電荷蓄積層24からチャネル側に流すことが可能である。つまり、消去することが可能である。   Since the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of the present embodiment introduces a large amount of Si, a metal state is generated inside the gap. This metal state is considered to form a quantum level at a position of 1.6 eV in the layer thickness direction. In this state, electrons are caused to resonate with the quantum levels in the first quantum well layer 22 so that electrons can easily flow from the charge storage layer 24 to the channel side. That is, it can be erased.

このように本実施形態による電子の共鳴による書き込み、電子の共鳴による消去を用いることで、図4に示すように、高い電流密度を利用することが出来るので、高速書き込みおよび高速消去が可能である。また、共鳴が起きないとき(非共鳴状態)は、リーク電流が極端に低下するので、従来に比べて、書き込まれた電荷を保持する特性に優れている。また、従来にはなかった、この非共鳴状態を使用することで、消去された状態を維持する点で優れた特性を発揮する。更に、読み出し時には、非共鳴状態にある電圧を使うことで、蓄積状態に影響なく読み出し動作が可能となる。従来は、この非共鳴状態を使用しなかったので、読み出し時にも、蓄積状態が変化するおそれがあったが、本実施形態のように、非共鳴状態を使えば、蓄積状態への影響を皆無に出来る。   As described above, by using writing by electron resonance and erasing by electron resonance according to the present embodiment, a high current density can be used as shown in FIG. 4, so that high-speed writing and high-speed erasing are possible. . In addition, when resonance does not occur (non-resonant state), the leakage current is extremely reduced, so that the characteristics of retaining written charges are superior to the conventional case. In addition, by using this non-resonant state, which has not existed in the past, it exhibits excellent characteristics in maintaining the erased state. Further, at the time of reading, by using a voltage in a non-resonant state, the reading operation can be performed without affecting the accumulation state. Conventionally, since this non-resonant state is not used, there is a possibility that the accumulation state may change during reading. However, if the non-resonance state is used as in this embodiment, there is no influence on the accumulation state. I can do it.

印加電圧は、第1障壁層、第2障壁層、第3障壁層の厚みや誘電率を変えることで調整が可能である。例えば、第3障壁層を10nmのAlとすれば、+7.1Vでの電子共鳴書き込み、−7.1Vでの電子共鳴消去となる(図14に示す第2の場合)。 The applied voltage can be adjusted by changing the thickness and dielectric constant of the first barrier layer, the second barrier layer, and the third barrier layer. For example, when the third barrier layer is made of 10 nm Al 2 O 3 , electron resonance writing at +7.1 V and electron resonance erasing at −7.1 V are performed (second case shown in FIG. 14).

また、本実施形態においては、第2量子井戸層24として、金属化したSiN層を用いているが、金属化していないが電荷を蓄積することのできるSiNも用いることができる。金属化したSiNを用いるほうが、電荷をより多く蓄積することが可能となるので、より好ましい。   In the present embodiment, a metalized SiN layer is used as the second quantum well layer 24. However, SiN that is not metalized but can accumulate charges can also be used. It is more preferable to use metalized SiN because more charges can be accumulated.

以上説明したように本実施形態の不揮発性半導体メモリによれば、高速書き込み、高速消去、保持特性向上、読み出し安定化を行うことができる。すなわち「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができる。   As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment, it is possible to perform high-speed writing, high-speed erasing, improved retention characteristics, and stable reading. That is, it is possible to achieve both high speed of “writing and erasing” and improvement of “charge retention characteristics and reading characteristics”.

(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による不揮発性半導体メモリについて説明する。
本実施形態の不揮発性半導体メモリは、第1実施形態の不揮発性半導体メモリ(電荷蓄積型メモリ)と基本構造はと同じである。第1実施形態とは、第2量子井戸層(電荷蓄積層)24として、金属TiNを用いた点が異なる。
(Fourth embodiment)
Next, a non-volatile semiconductor memory according to a fourth embodiment of the present invention is described.
The nonvolatile semiconductor memory of this embodiment has the same basic structure as that of the nonvolatile semiconductor memory (charge storage type memory) of the first embodiment. This embodiment is different from the first embodiment in that metal TiN is used as the second quantum well layer (charge storage layer) 24.

まず、第1障壁層21/第1量子井戸層22/第2障壁層23によって、量子井戸が形成される点は第1実施形態と同様である。本実施形態では、SiOからなる第1障壁層の層厚を1.5nmとし、Siからなる第1量子井戸層22の層厚を0.7nmとし、SiOからなる第2障壁層の層厚を1.0nmとしている。この時、Siからなる量子井戸層22の部分は量子化されており、図15に示すように伝導帯側には0.77eVの位置に量子準位が出現している。また、価電子帯側には1.5eVの位置に量子準位が出現している。 First, the quantum well is formed by the first barrier layer 21 / first quantum well layer 22 / second barrier layer 23 as in the first embodiment. In the present embodiment, the thickness of the first barrier layer made of SiO 2 is 1.5 nm, the thickness of the first quantum well layer 22 made of Si is 0.7 nm, and the layer of the second barrier layer made of SiO 2 The thickness is 1.0 nm. At this time, the portion of the quantum well layer 22 made of Si is quantized, and a quantum level appears at a position of 0.77 eV on the conduction band side as shown in FIG. Further, a quantum level appears at a position of 1.5 eV on the valence band side.

次に、本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24について説明する。
この第2量子井戸層24は、金属TiNを用いたことによって、伝導帯底付近が金属化していると考えられる。この第2量子井戸層24の厚みは1nmとした。この時、Si伝導帯底を基準にして、−0.4eVと1.94eVに層厚方向に量子化した準位が発現する。第1量子井戸層22内の準位とのエネルギー差は1.17eVとなる。ここで、+5.5Vを制御電極26に印加すると、Si基板の価電子帯頂上と、第1量子井戸層22内の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位が一致する。つまり、電子共鳴による書きこみが実現する。また、−5.5Vを制御電極26に印加すると、第1量子井戸層22内の量子準位、第2量子井戸層24内の量子準位(−0.4eVにあった準位)が一致する(図15に示す第1の場合)。この時、Si基板10は空の準位が連続状態として存在しているので、電子が共鳴を起こし、第2量子井戸層24からSi基板19へと抜けることになる。第2量子井戸層24の価電子帯側の量子準位はSi基板10の価電子帯頂上を基準にして、3.5eVの位置に出現するが、第1量子井戸層22内の量子準位と、Si基板10の価電子帯頂上とが一致することはないので、ホールの共鳴状態は発現しない。
Next, the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of this embodiment will be described.
The second quantum well layer 24 is considered to be metallized near the bottom of the conduction band by using metal TiN. The thickness of the second quantum well layer 24 was 1 nm. At this time, levels quantized in the layer thickness direction at −0.4 eV and 1.94 eV with respect to the bottom of the Si conduction band appear. The energy difference from the level in the first quantum well layer 22 is 1.17 eV. Here, when +5.5 V is applied to the control electrode 26, the top of the valence band of the Si substrate coincides with the quantum level in the first quantum well layer 22 and the quantum level in the second quantum well layer 24. That is, writing by electron resonance is realized. In addition, when −5.5 V is applied to the control electrode 26, the quantum level in the first quantum well layer 22 and the quantum level in the second quantum well layer 24 (the level corresponding to −0.4 eV) match. (First case shown in FIG. 15). At this time, since the empty state exists in the Si substrate 10 in a continuous state, electrons resonate and escape from the second quantum well layer 24 to the Si substrate 19. The quantum level on the valence band side of the second quantum well layer 24 appears at a position of 3.5 eV with respect to the top of the valence band of the Si substrate 10, but the quantum level in the first quantum well layer 22. And the top of the valence band of the Si substrate 10 do not coincide with each other, so that the resonance state of the hole does not appear.

本実施形態の第2量子井戸層(電荷蓄積層)24は金属であるため、伝導帯の底付近に電荷が蓄積されていると考えられる。この状態は、電子の共鳴を起こさせることで、簡単に消去することが可能である。   Since the second quantum well layer (charge storage layer) 24 of the present embodiment is a metal, it is considered that charges are stored near the bottom of the conduction band. This state can be easily erased by causing electron resonance.

このように本実施形態のような電子の共鳴による書き込み、電子の共鳴による消去を用いることで、図4に示すように、高い電流密度を利用することが出来るので、高速書き込み・高速消去が可能である。また、共鳴が起きないとき(非共鳴状態)は、リーク電流が極端に低下するので、従来に比べて、書き込まれた電荷を保持する特性に優れている。また、従来にはなかった、この非共鳴状態を使用することで、消去された状態を維持する点で優れた特性を発揮する。更に、読み出し時には、非共鳴状態にある電圧を使うことで、蓄積状態に影響なく読み出し動作が可能となる。従来は、この非共鳴状態を使用しなかったので、読み出し時にも、蓄積状態が変化するおそれがあったが、本実施形態のように非共鳴状態を使えば、蓄積状態への影響を皆無に出来る。   Thus, by using writing by electron resonance and erasing by electron resonance as in this embodiment, a high current density can be used as shown in FIG. It is. In addition, when resonance does not occur (non-resonant state), the leakage current is extremely reduced, so that the characteristics of retaining written charges are superior to the conventional case. In addition, by using this non-resonant state, which has not existed in the past, it exhibits excellent characteristics in maintaining the erased state. Further, at the time of reading, by using a voltage in a non-resonant state, the reading operation can be performed without affecting the accumulation state. Conventionally, since this non-resonant state is not used, there is a possibility that the accumulation state may change even at the time of reading. However, if the non-resonance state is used as in this embodiment, there is no influence on the accumulation state. I can do it.

制御電極に印加する印加電圧は、第1障壁層21、第2障壁層23、第3障壁層の厚みや誘電率を変えることで調整が可能である。例えば、第3障壁層として、層厚が10nmのAlを用いれば、+7.1Vでの電子共鳴書き込み、−7.1Vでの電子共鳴消去となる(図15に示す第2の場合)。 The applied voltage applied to the control electrode can be adjusted by changing the thickness and dielectric constant of the first barrier layer 21, the second barrier layer 23, and the third barrier layer. For example, when Al 2 O 3 having a thickness of 10 nm is used as the third barrier layer, electron resonance writing at +7.1 V and electron resonance erasing at −7.1 V are performed (the second case shown in FIG. 15). ).

以上説明したように本実施形態の不揮発性半導体メモリによれば、高速書き込み、高速消去、保持特性向上、読み出し安定化を行うことができる。すなわち「書き込みおよび消去」の高速化と「電荷保持特性および読み出し特性」の向上とを両立させることができる。   As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory of this embodiment, it is possible to perform high-speed writing, high-speed erasing, improved retention characteristics, and stable reading. That is, it is possible to achieve both high speed of “writing and erasing” and improvement of “charge retention characteristics and reading characteristics”.

本実施例では、第2量子井戸層を形成する金属としてTiNを用いたが、周囲の酸化物(SiO、Alなど)に対して安定な金属であれば、量子井戸の形成が可能である。例えば、窒化物金属、炭化物金属、酸化物金属を第2量子井戸層として用いることができる。また、Pt,Ir,Ruなどは、酸化されにくいので、周囲の酸化物から酸素を奪いとることは考えなくてよく、第2量子井戸層として用いることができる。つまり、酸化する時の安定化エネルギーが小さい金属であれば、第2量子井戸層として用いることができる。 In this example, TiN was used as the metal for forming the second quantum well layer. However, if the metal is stable with respect to the surrounding oxide (SiO 2 , Al 2 O 3, etc.), the formation of the quantum well can be performed. Is possible. For example, a nitride metal, a carbide metal, or an oxide metal can be used as the second quantum well layer. In addition, since Pt, Ir, Ru, and the like are not easily oxidized, it is not necessary to take oxygen away from the surrounding oxide, and can be used as the second quantum well layer. That is, any metal having a small stabilization energy when oxidized can be used as the second quantum well layer.

以上、説明した第1から第4実施形態を用いた不揮発性半導体メモリ(電荷蓄積型メモリ)は、以下のような作用効果を得ることができる。
1)書き込み、及び消去では、共鳴トンネル効果を用いるため、高速に出来る。つまり、共鳴トンネル時は、高確率で電子やホールがトンネルするため、実効的に低障壁になる。図16(a)には、電子共鳴による書きこみ、消去のイメージを示す。また、図16(b)には、電子書きこみ、ホール消去のイメージを示す。
2)保持状態では、非共鳴状態であるので、特性が向上する。つまり、非共鳴トンネル時は、トンネル確率が極端に低下するので、実効的に高障壁になる。非共鳴状態を使った保持状態では、リーク電流を1.0×10−16A/cm以下に抑えることが可能である。
3)読み出し動作時を、非共鳴状態で行うことが可能であるので、読み出し時の電荷移動は完全に阻止できる。非共鳴状態を使った読み出し動作では、読み出しリーク電流を1.0×10−9A/cm以下に抑えることが可能である。
4)印加電圧によるスイッチングであり、高い温度にも対応できる(温度に強い)。電荷トラップによるトンネル障壁の向上(クーロンブロッケード)では、微細化するほど、温度に弱くなるが、本発明では、高温(100℃)でも問題ない。
5)電荷注入によるレベル上昇を使った注入制御(多値化)が出来る。電荷注入により、電荷蓄積層の量子レベルがずれると、共鳴しなくなる。そのため、分布幅の狭い閾値を得ることが可能である。また、電子注入が自動的に停止する過程を使えば、メモリセルの多値化が簡単に出来る。また、多値化した場合に、各閾値の分布幅が狭いことから、低電圧化が可能となる。
As described above, the nonvolatile semiconductor memory (charge storage type memory) using the first to fourth embodiments described above can obtain the following effects.
1) Since the resonant tunneling effect is used in writing and erasing, it can be performed at high speed. In other words, at the time of resonant tunneling, electrons and holes tunnel with a high probability, thus effectively becoming a low barrier. FIG. 16A shows an image of writing and erasing by electron resonance. FIG. 16B shows an image of electronic writing and hole erasing.
2) Since the holding state is a non-resonant state, the characteristics are improved. In other words, at the time of non-resonant tunneling, the tunnel probability is extremely lowered, so that it effectively becomes a high barrier. In the holding state using the non-resonant state, the leakage current can be suppressed to 1.0 × 10 −16 A / cm 2 or less.
3) Since the reading operation can be performed in a non-resonant state, the charge transfer during reading can be completely prevented. In the read operation using the non-resonant state, the read leak current can be suppressed to 1.0 × 10 −9 A / cm 2 or less.
4) Switching by applied voltage and can cope with high temperature (strong to temperature). In the tunnel barrier improvement by means of charge trapping (Coulomb blockade), the smaller the size, the weaker the temperature. In the present invention, there is no problem even at a high temperature (100 ° C.).
5) Injection control (multi-level) using level increase by charge injection can be performed. When the quantum level of the charge storage layer shifts due to charge injection, resonance does not occur. Therefore, it is possible to obtain a threshold with a narrow distribution width. In addition, if a process in which electron injection is automatically stopped is used, it is possible to easily increase the number of memory cells. In addition, when multi-valued, the distribution width of each threshold is narrow, so that the voltage can be reduced.

尚、第1乃至第4実施形態では、シリコン基板上に形成したメモリセルについて説明したが、これの構造に限定されるものではない。シリコン基板以外の基板例えば、ガラス基板上にシリコン層を形成し、本実施形態のメモリセル構造を形成することも可能である。   In the first to fourth embodiments, the memory cell formed on the silicon substrate has been described. However, the present invention is not limited to this structure. It is also possible to form the memory cell structure of this embodiment by forming a silicon layer on a substrate other than a silicon substrate, for example, a glass substrate.

この構造を利用することで液晶表示素子等の表示素子の制御駆動回路内に不揮発性半導体メモリとして形成することもできる。ガラス基板の他にも、セラミックス基板等の成形時のプロセス温度に耐えうる基板、及びプロセス時に不要なガスを発生させない基板であれば、特には限定されない。   By utilizing this structure, it can be formed as a nonvolatile semiconductor memory in a control drive circuit of a display element such as a liquid crystal display element. In addition to the glass substrate, there is no particular limitation as long as it is a substrate that can withstand the process temperature during molding, such as a ceramic substrate, and a substrate that does not generate unnecessary gas during the process.

本発明の各実施形態においては、大きな共鳴トンネル電流により書き込み・消去を高速に行い、非共鳴状態により保存・読み出しを低いリーク電流にて行っている。これを実現するために、二重量子井戸構造を有し、かつ、第二量子井戸に十分な電荷を溜めることが出来る構成が必要である。   In each embodiment of the present invention, writing / erasing is performed at a high speed by a large resonant tunneling current, and storage / reading is performed at a low leakage current by a nonresonant state. In order to realize this, a configuration having a double quantum well structure and capable of storing a sufficient charge in the second quantum well is required.

上記各実施形態では第二量子井戸に電子をトラップする構成のメモリセルに関して記述しているが、第二量子井戸にホールをトラップする構成のメモリセルも、全構成を反転して考えることにより可能となる。より具体的には、基板はn型を用いる。   In each of the above embodiments, the memory cell configured to trap electrons in the second quantum well is described. However, the memory cell configured to trap holes in the second quantum well can be considered by inverting the entire configuration. It becomes. More specifically, the substrate is n-type.

書き込み方法は、第1量子井戸層の価電子帯内のエネルギー準位と第2量子井戸層の価電子帯内のエネルギー準位とが共鳴を起こす負電圧を制御電極に印加することにより行う。この時、ホールがチャネルから第二量子井戸に注入される。   The writing method is performed by applying to the control electrode a negative voltage that causes resonance between the energy level in the valence band of the first quantum well layer and the energy level in the valence band of the second quantum well layer. At this time, holes are injected from the channel into the second quantum well.

消去方法は、第1量子井戸層の価電子帯内のエネルギー準位と第2量子井戸層の価電子帯内のエネルギー準位とが共鳴を起こす正電圧を制御電極に印加することによって行う。この時、ホールが第二量子井戸からチャネル側に放出される。   The erasing method is performed by applying to the control electrode a positive voltage that causes resonance between the energy level in the valence band of the first quantum well layer and the energy level in the valence band of the second quantum well layer. At this time, holes are emitted from the second quantum well to the channel side.

消去方法の第二は、第1量子井戸層の伝導帯内のエネルギー準位と第2量子井戸層の伝導帯内のエネルギー準位とが共鳴を起こす正電圧を制御電極に印加することによって行う。この時、電子がチャネルから第二量子井戸に注入される。   The second erasing method is performed by applying a positive voltage that causes resonance between the energy level in the conduction band of the first quantum well layer and the energy level in the conduction band of the second quantum well layer to the control electrode. . At this time, electrons are injected from the channel into the second quantum well.

以上、説明した各実施形態による不揮発性半導体メモリは、据え置き型及び、携帯型の電子機器(例えば、パソコン、電話機、PDA、テレビジョン、ナビゲーションシステム、録音再生機器等)に搭載して、データやアプリケーションソフトウエア又は、プログラムを記憶させて利用することができる。   As described above, the nonvolatile semiconductor memory according to each embodiment described above is mounted on stationary and portable electronic devices (for example, personal computers, telephones, PDAs, televisions, navigation systems, recording / playback devices, etc.), Application software or programs can be stored and used.

さらに、撮像機器(例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ)における画像データ・音声を蓄積させることができる。また、その他、インターネットやLANネットワークなどのネットワークを通じて通信を行う家電機器や複合型プリンタFAX装置等に搭載されるメモリやハードディスクドライブ(HDD)に換わってその機能を代行することも容易に実現する。   Furthermore, image data / sound in an imaging device (for example, a digital still camera or a digital video camera) can be accumulated. In addition, it is also possible to easily substitute the function of a memory or a hard disk drive (HDD) installed in a home appliance or a composite printer FAX apparatus that communicates via a network such as the Internet or a LAN network.

このように、従来の機器におけるメモリやHDDと同様に、データ蓄積、一時保存に極めて有用である。また、電子部品の回路においては、システムLSIの内部メモリやキャッシュメモリとして、或いは電子回路の一部として不揮発性メモリを使用するメモリ混載型のシステムに搭載することができる。より高度には、システム(回路の機能等)を必要に応じて書き換えてしまう書き換え可能なシステムLSIとして用いることも想定する。   Thus, like a memory or HDD in a conventional device, it is extremely useful for data storage and temporary storage. In addition, the electronic component circuit can be mounted as an internal memory or cache memory of a system LSI or in a memory-embedded system that uses a nonvolatile memory as a part of the electronic circuit. To be more advanced, it is also assumed that the system (circuit function or the like) is used as a rewritable system LSI that rewrites as necessary.

なお、前述した各実施形態においては、MONOS型或いはFG型フラッシュメモリを例に挙げて説明したが、MONOS型或いはFG型フラッシュメモリを集積化させたメモリ回路、及びロジック回路が同一チップ上に混載されるシステムLSI等に対しても容易に適用することができ、本発明の範囲内である。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In each of the embodiments described above, the MONOS type or FG type flash memory has been described as an example. However, a memory circuit in which the MONOS type or FG type flash memory is integrated and a logic circuit are mixedly mounted on the same chip. The present invention can be easily applied to a system LSI and the like, and is within the scope of the present invention. In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

本発明の各実施形態に係るメモリセルを示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell which concerns on each embodiment of this invention. 図1に示すメモリセルの非共鳴状態および電子の共鳴状態のエネルギーバンド図。FIG. 2 is an energy band diagram of a non-resonance state and an electron resonance state of the memory cell shown in FIG. 1. メモリセルのエネルギーバンドを示す図。The figure which shows the energy band of a memory cell. 図3に示した各状態のリーク電流の電圧依存特性を示すグラフ。The graph which shows the voltage dependence characteristic of the leakage current of each state shown in FIG. SrTiOにRuを添加した際のギャップ中に発生する準位について説明する図。Diagram for explaining states that occur in the gap upon addition of Ru to the SrTiO 3. SrTiOにRuとNを添加した際のギャップ中に発生する準位について説明する図。Diagram for explaining states that occur in the gap upon addition of Ru and N in SrTiO 3. 第2量子井戸層が多重量子井戸になった場合の説明の図。The figure of explanation when the 2nd quantum well layer turns into a multiple quantum well. 第1実施形態に係るメモリセルのエネルギーバンド図。FIG. 3 is an energy band diagram of the memory cell according to the first embodiment. メモリセルの障壁高さ(オフセット)ΔEc、トラップ準位ΔEtを説明する図。The figure explaining the barrier height (offset) (DELTA) Ec and trap level (DELTA) Et of a memory cell. 量子レベルと共鳴状態について説明する図。The figure explaining a quantum level and a resonance state. 量子レベルと共鳴状態について説明する図。The figure explaining a quantum level and a resonance state. 第1実施形態の第1変形例に係るメモリセルのエネルギーバンド図。The energy band figure of the memory cell which concerns on the 1st modification of 1st Embodiment. 第2実施形態に係るメモリセルのエネルギーバンド図。The energy band figure of the memory cell which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係るメモリセルのエネルギーバンド図。The energy band figure of the memory cell concerning a 3rd embodiment. 第4実施形態に係るメモリセルのエネルギーバンド図。The energy band figure of the memory cell which concerns on 4th Embodiment. 電子共鳴による書き込みおよび消去と、電子共鳴による書き込みおよびホール共鳴による消去を説明する図。The figure explaining writing and erasing by electron resonance, and writing by electron resonance and erasing by Hall resonance.

符号の説明Explanation of symbols

1 メモリセル
10 Si基板
12 チャネル領域
14a ソース領域
14b ドレイン領域
20 ゲート
21 第1障壁層
22 第1量子井戸層
23 第2障壁層
24 第2量子井戸層(電荷蓄積層)
25 第3障壁層(ブロック層)
26 制御電極
1 memory cell 10 Si substrate 12 channel region 14a source region 14b drain region 20 gate 21 first barrier layer 22 first quantum well layer 23 second barrier layer 24 second quantum well layer (charge storage layer)
25 3rd barrier layer (block layer)
26 Control electrode

Claims (13)

シリコン基板と、
前記シリコン基板に、離間して設けられたソース領域およびドレイン領域と、
前記ソース領域およびドレイン領域との間の前記シリコン基板上に設けられた第1障壁層と、
前記第1障壁層上に設けられ、伝導帯内に量子化された少なくとも1つのエネルギー準位を含む第1エネルギー準位群が形成される第1量子井戸層と、
前記第1量子井戸層上に設けられた第2障壁層と、
前記第2障壁層上に設けられ、伝導帯内に前記第1エネルギー準位群のエネルギー準位とそれぞれ異なる量子化された少なくとも1つのエネルギー準位を含む第2エネルギー準位群が形成され、前記第2エネルギー準位群のうちで、前記第1エネルギー準位群のうちのいずれかのエネルギー準位EC1よりも大きなエネルギー準位EC2が存在する第2量子井戸層と、
前記第2量子井戸層上に設けられた第3障壁層と、
前記第3障壁層上に設けられた制御電極と、
を有するメモリセルを備え、
前記第2量子井戸層は、電子が蓄積可能であることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
A silicon substrate;
A source region and a drain region that are spaced apart from each other on the silicon substrate;
A first barrier layer provided on the silicon substrate between the source region and the drain region;
A first quantum well layer provided on the first barrier layer and formed with a first energy level group including at least one energy level quantized in a conduction band;
A second barrier layer provided on the first quantum well layer;
A second energy level group provided on the second barrier layer and including at least one quantized energy level different from the energy level of the first energy level group in a conduction band; A second quantum well layer having an energy level EC2 larger than any energy level EC1 of the first energy level group among the second energy level group;
A third barrier layer provided on the second quantum well layer;
A control electrode provided on the third barrier layer;
A memory cell having
The non-volatile semiconductor memory, wherein the second quantum well layer can store electrons.
前記第1量子井戸層および前記第2量子井戸層の層厚が1.2nm以下であることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ。   2. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein a thickness of each of the first quantum well layer and the second quantum well layer is 1.2 nm or less. EC2−EC1≧0.3eV
であることを特徴とする請求項1または2記載の不揮発性半導体メモリ。
EC2-EC1 ≧ 0.3eV
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory is a non-volatile semiconductor memory.
前記第2量子井戸層は多重量子井戸構造を有し、前記多重量子井戸構造の各量子井戸は同じエネルギー準位および同じ層厚を有していることを特徴とする請求項1または2記載の不揮発性半導体メモリ。   The second quantum well layer has a multiple quantum well structure, and each quantum well of the multiple quantum well structure has the same energy level and the same layer thickness. Non-volatile semiconductor memory. 前記第2量子井戸層は、Tc、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pd、Pt、Co、Ni、W、Mo、Cr、MnおよびFeからなる第1群の中から選択した少なくとも1つの元素が添加されたTi、ZrまたはHfの酸化物誘電体膜を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ。   The second quantum well layer is at least one selected from the first group consisting of Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Pd, Pt, Co, Ni, W, Mo, Cr, Mn, and Fe. 5. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, further comprising an oxide dielectric film of Ti, Zr, or Hf to which an element is added. 前記第2量子井戸層は、前記第1群の中から選択された少なくとも1つの元素と、窒素、炭素、ホウ素、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、およびLuからなる第2群の中から選択された少なくとも1つの元素と、が添加された、Ti、ZrまたはHfの酸化物誘電体膜を有することを特徴とする請求項5記載の不揮発性半導体メモリ。   The second quantum well layer includes at least one element selected from the first group and nitrogen, carbon, boron, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Sc, Y, La, Ce, Pr, Ti, Zr or at least one element selected from the second group consisting of Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, 6. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 5, further comprising an oxide dielectric film of Hf. 前記第2量子井戸層は、ポリシリコン、窒化物金属、炭化物金属、酸化物金属、Pt、Ir、Ruから選択された少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ。   5. The method according to claim 1, wherein the second quantum well layer includes at least one selected from polysilicon, nitride metal, carbide metal, oxide metal, Pt, Ir, and Ru. A non-volatile semiconductor memory according to claim 1. 前記第2量子井戸層は窒化シリコン層であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ。   The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein the second quantum well layer is a silicon nitride layer. 前記窒化シリコン層のシリコン量と窒素量との比が0.95よりも大きいことを特徴とする請求項8記載の不揮発性半導体メモリ。   9. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 8, wherein a ratio of the silicon amount and the nitrogen amount in the silicon nitride layer is larger than 0.95. 前記メモリセルからデータを読み出す際のリーク電流密度が1.0×10−9A/cm以下であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ。 The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein a leakage current density when reading data from the memory cell is 1.0 × 10 −9 A / cm 2 or less. 請求項1乃至10のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリの書き込み方法であって、
前記第1エネルギー準位群内のエネルギー準位と前記第2エネルギー準位群内のエネルギー準位とが共鳴を起こす正電圧を前記制御電極に印加することによりデータの書き込みを行うことを特徴とする書き込み方法。
A method for writing into a nonvolatile semiconductor memory according to any one of claims 1 to 10,
Data is written by applying a positive voltage that causes resonance between an energy level in the first energy level group and an energy level in the second energy level group to the control electrode. How to write.
請求項1乃至10のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリの消去方法であって、
前記第1エネルギー準位群内のエネルギー準位と前記第2エネルギー準位群内のエネルギー準位とが共鳴を起こす負電圧を前記制御電極に印加することによりデータの消去を行うことを特徴とする消去方法。
A method for erasing a nonvolatile semiconductor memory according to any one of claims 1 to 10,
Data is erased by applying a negative voltage that causes resonance between an energy level in the first energy level group and an energy level in the second energy level group to the control electrode. How to erase.
請求項1乃至10のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリの消去方法であって、
前記第1量子井戸層の価電子帯内の量子化されたエネルギー準位と前記第2量子井戸層の価電子帯内の量子化されたエネルギー準位とが共鳴を起こす負電圧を前記制御電極に印加することによりデータの消去を行うことを特徴とする消去方法。
A method for erasing a nonvolatile semiconductor memory according to any one of claims 1 to 10,
The control electrode generates a negative voltage that causes resonance between a quantized energy level in the valence band of the first quantum well layer and a quantized energy level in the valence band of the second quantum well layer. An erasing method characterized in that data is erased by applying to the data.
JP2007245721A 2007-09-21 2007-09-21 Nonvolatile semiconductor memory, method of writing to the same, and method of erasing the same Pending JP2009076764A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007245721A JP2009076764A (en) 2007-09-21 2007-09-21 Nonvolatile semiconductor memory, method of writing to the same, and method of erasing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007245721A JP2009076764A (en) 2007-09-21 2007-09-21 Nonvolatile semiconductor memory, method of writing to the same, and method of erasing the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009076764A true JP2009076764A (en) 2009-04-09

Family

ID=40611441

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007245721A Pending JP2009076764A (en) 2007-09-21 2007-09-21 Nonvolatile semiconductor memory, method of writing to the same, and method of erasing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009076764A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009290199A (en) * 2008-04-18 2009-12-10 Macronix Internatl Co Ltd Floating gate memory device with interpoly charge trapping structure
JP2011114057A (en) * 2009-11-25 2011-06-09 Toshiba Corp Semiconductor memory device
JP2012009700A (en) * 2010-06-25 2012-01-12 Toshiba Corp Semiconductor storage device and manufacturing method of the same
KR101262504B1 (en) 2010-02-10 2013-05-08 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 Density of states engineered field effect transistor
JP2014003235A (en) * 2012-06-20 2014-01-09 Toshiba Corp Nonvolatile semiconductor memory device and method for manufacturing the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009290199A (en) * 2008-04-18 2009-12-10 Macronix Internatl Co Ltd Floating gate memory device with interpoly charge trapping structure
JP2011114057A (en) * 2009-11-25 2011-06-09 Toshiba Corp Semiconductor memory device
KR101262504B1 (en) 2010-02-10 2013-05-08 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 Density of states engineered field effect transistor
JP2012009700A (en) * 2010-06-25 2012-01-12 Toshiba Corp Semiconductor storage device and manufacturing method of the same
JP2014003235A (en) * 2012-06-20 2014-01-09 Toshiba Corp Nonvolatile semiconductor memory device and method for manufacturing the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4374037B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory and manufacturing method thereof
KR100906524B1 (en) Nonvolatile semiconductor memory
US7420256B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory device having a gate stack and method of manufacturing the same
JP4372174B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory and manufacturing method thereof
KR100995726B1 (en) Nonvolatile semiconductor memory
CN100477266C (en) Non-volatile memory devices including barrier layers and methods of manufacturing the same
JP2006114905A (en) Non-volatile semiconductor memory element
JP2008091929A (en) Charge trap memory device
JP2009076764A (en) Nonvolatile semiconductor memory, method of writing to the same, and method of erasing the same
KR100684900B1 (en) Non-volatile memory device and method of operating the same
JP5367763B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory
JP4492930B2 (en) Charge storage memory and manufacturing method thereof
Zhao et al. A low voltage SANOS nonvolatile semiconductor memory (NVSM) device
KR20070053071A (en) Non-volatile memory device comprising multi-tunneling layer
KR101231456B1 (en) Flash memory device
CN102315223A (en) High-performance plane floating gate flash memory device structure and making method thereof
KR101243861B1 (en) Operating method of charge trap flash memory device
Sandhya et al. Nitride engineering and the effect of interfaces on charge trap flash performance and reliability
Ramkumar Charge trapping NVMs with metal oxides in the memory stack
JP4792094B2 (en) Nonvolatile semiconductor memory
Wellekens et al. The future of flash memory: is floating gate technology doomed to lose the race?
Ioannou-Sougleridis et al. Charge-trap memories with ion beam modified ONO stacks
KR101111255B1 (en) Nonvolatile memory device with staggered tunnel barrier
KR101149572B1 (en) Nonvolatile memory device with staggered tunnel barrier