JP4575320B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
本発明の例に係わる不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板内のソース・ドレイン拡散層と、前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上の第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上のフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極上の第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上のコントロールゲート電極と、前記第1絶縁膜と前記フローティングゲート電極との間及び前記第2絶縁膜と前記フローティングゲート電極との間にそれぞれ配置される界面層とを備え、前記第1及び第2絶縁膜は、それぞれ、2層から構成され、かつ、前記2層のうち、前記界面層に直接接触する層がd軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層であり、それ以外の層がd軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層であり、前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層は、Hf, La, Y, Ce, Ti, Zrのグループから選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物、窒化物、酸窒化物、シリケート、窒化シリケート、アルミネート若しくは窒化アルミネート、又は、これらの混合物若しくは積層物であり、前記d軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層は、Al, Siのグループから選択される少なくとも1つの元素を主成分として含む酸化物、窒化物若しくは酸窒化物、又は、これらの混合物若しくは積層物であり、前記界面層は、前記第1及び第2絶縁膜内の前記d軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層よりも薄い。
本発明の例は、スタックゲート構造のメモリセルを有する不揮発性半導体記憶装置に適用される。
本発明の概念について、図7を用いて述べる。
本発明の原理について説明する。
本発明の原理に基づいて、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図11は、第1実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
図12は、第2実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
図13は、第3実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
図14は、第4実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
図15は、第5実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
図16は、第6実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
また、本例では、フローティングゲート電極をTaSiNとWNの積層膜で構成したが、それ以外にTiN, W, WSiなどのnチャネルMISトランジスタ向きの金属ゲート材料、又は、Si禁制帯の中央付近の仕事関数を持つ金属系導電性材料を単層若しくは積層として用いてもよい。また、フローティングゲート電極としてCo, Niなどの珪化物を使用してもよい。
図17は、第7実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
図18は、第8実施の形態に関わるメモリセルの構造を示している。
本発明の例は、スタックゲート構造のメモリセルを有する不揮発性半導体記憶装置、特に、NAND型フラッシュメモリに適用される。
このように、本発明の例によれば、メモリセルが微細化されても、IPD膜の等価膜厚スケーリングと良好なデータ保持特性の両立を実現することができる。
Claims (20)
- 半導体基板内のソース・ドレイン拡散層と、前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上の第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上のフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極上の第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上のコントロールゲート電極とを具備し、
前記第1及び第2絶縁膜は、それぞれ、2層から構成され、かつ、前記2層のうち、前記フローティングゲート電極に直接接触する層がd軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層であり、それ以外の層がd軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層であり、
前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層は、Hf, La, Y, Ce, Ti, Zrのグループから選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物、窒化物、酸窒化物、シリケート、窒化シリケート、アルミネート若しくは窒化アルミネート、又は、これらの混合物若しくは積層物であり、
前記d軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層は、Al, Siのグループから選択される少なくとも1つの元素を主成分として含む酸化物、窒化物若しくは酸窒化物、又は、これらの混合物若しくは積層物であり、
データ保持時において、前記第1絶縁膜中の前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層から前記フローティングゲート電極へのデトラッピングレートと前記第2絶縁膜中の前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層から前記フローティングゲート電極へのデトラッピングレートとが等しい
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記フローティングゲート電極を構成する導電性材料層は、W, Ti, Ta, Ru, Ni, Coのグループから選択される少なくとも1つの元素を含む金属材料、その窒化物、炭化物、珪化物若しくは珪窒化物、又は、これらの混合物若しくは積層物であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記フローティングゲート電極を構成する導電性材料層は、n型ドーパント不純物を含む多結晶シリコンであることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記コントロールゲート電極を構成する導電性材料層は、W, Ti, Ta, Ru, Ni, Coのグループから選択される少なくとも1つの元素を含む金属材料、その窒化物、炭化物、珪化物若しくは珪窒化物、又は、これらの混合物若しくは積層物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記コントロールゲート電極を構成する導電性材料層は、n型ドーパント不純物を含む多結晶シリコンであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1及び第2絶縁膜をそれぞれ構成する前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層は、同一材料であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1及び第2絶縁膜において、前記d軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層の等価膜厚は、前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層の等価膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第2絶縁膜は、前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層と、酸化シリコン及び酸窒化シリコンのうちの1つとから構成され、前記第2絶縁膜を構成する前記酸化シリコン又は前記酸窒化シリコンの厚さは、3nm以上であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層は、多層構造を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 半導体基板内のソース・ドレイン拡散層と、前記ソース・ドレイン拡散層の間のチャネル上の第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上のフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極上の第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上のコントロールゲート電極と、前記第1絶縁膜と前記フローティングゲート電極との間及び前記第2絶縁膜と前記フローティングゲート電極との間にそれぞれ配置される界面層とを具備し、
前記第1及び第2絶縁膜は、それぞれ、2層から構成され、かつ、前記2層のうち、前記界面層に直接接触する層がd軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層であり、それ以外の層がd軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層であり、
前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層は、Hf, La, Y, Ce, Ti, Zrのグループから選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物、窒化物、酸窒化物、シリケート、窒化シリケート、アルミネート若しくは窒化アルミネート、又は、これらの混合物若しくは積層物であり、
前記d軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層は、Al, Siのグループから選択される少なくとも1つの元素を主成分として含む酸化物、窒化物若しくは酸窒化物、又は、これらの混合物若しくは積層物であり、
前記界面層は、前記第1及び第2絶縁膜内の前記d軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層よりも薄い
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記フローティングゲート電極の上下に存在する前記界面層は、同一材料から構成されることを特徴とする請求項10に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記界面層は、SiON 及び Al2O3のグループから選択される材料層であることを特徴とする請求項10又は11に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記フローティングゲート電極を構成する導電性材料層は、W, Ti, Ta, Ru, Ni, Coのグループから選択される少なくとも1つの元素を含む金属材料、その窒化物、炭化物、珪化物若しくは珪窒化物、又は、これらの混合物若しくは積層物であることを特徴とする請求項10乃至12のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記フローティングゲート電極を構成する導電性材料層は、n型ドーパント不純物を含む多結晶シリコンであることを特徴とする請求項10乃至12のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記コントロールゲート電極を構成する導電性材料層は、W, Ti, Ta, Ru, Ni, Coのグループから選択される少なくとも1つの元素を含む金属材料、その窒化物、炭化物、珪化物若しくは珪窒化物、又は、これらの混合物若しくは積層物であることを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記コントロールゲート電極を構成する導電性材料層は、n型ドーパント不純物を含む多結晶シリコンであることを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1及び第2絶縁膜をそれぞれ構成する前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層は、同一材料であることを特徴とする請求項10乃至16のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第1及び第2絶縁膜において、前記d軌道を有しない金属元素若しくは半導体元素を主成分として含む絶縁性材料層の等価膜厚は、前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層の等価膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項10乃至17のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記第2絶縁膜は、前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層と、酸化シリコン及び酸窒化シリコンのうちの1つとから構成され、前記第2絶縁膜を構成する前記酸化シリコン又は前記酸窒化シリコンの厚さは、3nm以上であることを特徴とする請求項10乃至18のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
- 前記d軌道を有する金属元素を含む絶縁性材料層は、多層構造を有することを特徴とする請求項10乃至19のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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