JP4786855B2 - Memory film structure, memory element, semiconductor device and electronic device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリ膜構造、メモリ素子、半導体装置および電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のメモリ素子として、図13に示すようなものがある(S.Tiwari and F.Rana et al, IEDM Dig., p521(1995)参照)。このメモリ素子は、ナノクリスタル浮遊ゲート型メモリ素子であり、p型シリコン基板101中に形成されたソースおよびドレイン領域601,601の間のチャネル領域上に、熱酸化で形成した厚さ2nm程度のトンネル酸化膜201と、粒径5nm程度のシリコン微粒子からなる量子ドット301と、低圧CVD(化学気相成長)で形成した厚さ10nm程度の制御酸化膜401と、n+ポリシリコンからなるゲート電極501とを備える。このメモリ素子は、板状に形成された比較的薄い上記トンネル酸化膜201と、上記量子ドット301と、上記制御酸化膜401と、ゲート電極501とで、メモリ膜構造を構成している。
【0003】
上記従来のメモリ素子に情報を書き込む場合、上記ゲート電極501に正電圧を印加して、チャネル領域に形成される反転層の電子を、上記トンネル酸化膜201を透過させて量子ドット301に注入し、捕捉させる。
【0004】
上記メモリ素子の情報を読み出す場合、上記ゲート電極501に正電圧を印加すると共に上記ソースおよびドレイン領域601,601の間に電位差を与え、ドレイン電流を検出し、このドレイン電流の増減から上記量子ドットへの電子の捕捉状態を検出する。
【0005】
上記メモリ素子の情報を消去する場合、上記ゲート電極501に負電圧を印加して、上記量子ドット301に捕捉された電子を、上記トンネル酸化膜201を透過させてチャネル領域に放出させる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のメモリ素子は、情報の書込みおよび消去時に、量子ドット301よりもチャネル側に位置するトンネル酸化膜201を電子が透過するので、このトンネル酸化膜201は劣化し易く、また、トンネル酸化膜201中に電子が捕捉されてメモリ動作が不正確になり易いという問題がある。
【0007】
そこで、本発明の目的は、ゲート絶縁膜の劣化が防止できて、安定動作が可能なメモリ素子が構成できるメモリ膜構造を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のメモリ膜構造は、半導体基板上に形成され、導電体微粒子を含有する絶縁膜と、上記絶縁膜上に形成された導電体膜とを備え、上記導電体微粒子は上記導電体膜の近傍に配置されている。上記絶縁膜は、上記導電体微粒子の上記導電体膜側を覆うと共に上記導電体膜側に突出する凸状膜部を備える。この凸状膜部は、上記導電体膜の近傍の導電体微粒子を覆って上記導電体膜側に突出しているので、上記導電体微粒子と上記導電体膜とが上記凸状膜部を介して接する部分が比較的大きくなる。したがって、上記導電体微粒子と導電体膜は、導電体微粒子が含有された絶縁膜と導電体膜との境界面が平坦に形成された場合よりも、比較的多くの電荷が短時間で授受できる。その結果、比較的高速にメモリ動作可能なメモリ膜構造が得られる。
【0009】
上記導電体微粒子は、上記導電体膜側の近傍に配置されているので、電荷の授受は上記導電体微粒子と導電体膜とで行なわれる。したがって、上記絶縁膜の半導体基板側は電荷が殆ど透過しないので、この半導体基板側の絶縁膜の劣化が効果的に防止され、このメモリ膜構造のヒステリシス特性の劣化が効果的に防止される。したがって、高速書換え可能で安定した性能を有するメモリ膜構造が得られる。
【0010】
ここにおいて、上記導電体微粒子の上記導電体膜側を覆うと共に上記導電体膜側に突出する上記絶縁膜の凸状膜部は、上記導電体微粒子の上記導電体膜側の形状に倣う形状を有するのが好ましい。これによって、上記導電体微粒子が上記絶縁膜の凸状膜部を介して上記導電体膜と接する部分が、効果的に大面積にできる。また、上記絶縁膜の凸状膜部の厚みを所定の厚みにできるので、特性のばらつきが少ないメモリ膜構造が得られる。
【0011】
本明細書において、微粒子とは、ナノメートル(nm)オーダー以下の寸法を有する粒子を意味する。
【0012】
さらに、本発明のメモリ膜構造では、上記絶縁膜の凸状膜部の厚みは、上記絶縁膜の上記導電体微粒子よりも半導体基板側の部分の厚みよりも薄く形成する。上記半導体基板と導電体膜との間に電位差を与えた場合、上記導電体微粒子と導電体膜との間で電荷が授受される。したがって、上記絶縁膜の導電体微粒子と上記半導体基板との間の部分は電荷の透過が少なくなるので、上記絶縁膜の半導体基板側の劣化が防止できる。その結果、高信頼のメモリ膜構造が得られる。
【0013】
また、上記電荷が授受される導電体微粒子と導電体膜との間の絶縁体部分は厚みが比較的薄いので、上記電荷の授受にかかる時間が比較的短くできると共に、電荷の授受のために上記半導体基板と導電体膜との間に与えるべき電位差が、比較的小さくできる。したがって、高速動作で低消費電力のメモリ膜構造が得られる。
【0014】
【0015】
1実施形態のメモリ膜構造は、上記絶縁膜中に、上記導電体微粒子よりも半導体基板側に位置するように第2の導電体膜を設け、この第2の導電体膜に、上記導電体微粒子が捕獲した電荷が保持される。この第2の導電体膜は、電荷を保持する際の電荷の分布のばらつきが少ないので、導電体微粒子で電荷を保持するよりも、特性のばらつきが少ないメモリ膜構造が得られる。
【0016】
1実施形態のメモリ膜構造は、上記絶縁膜中に、上記導電体微粒子よりも半導体基板側に位置するように第2の導電体微粒子を設け、この第2の導電体微粒子に、上記導電体膜側の導電体微粒子が捕獲した電荷が保持される。上記導電体膜側の導電体微粒子はクーロンブロッケイド効果を奏するので、このメモリ膜構造はヒステリシス特性が顕著になり、その結果、電荷の読出し特性の向上や、電荷の保持特性の向上が実現できる。
【0017】
1実施形態のメモリ素子は、上記メモリ膜構造を用いて形成された電界効果型トランジスタを備えるので、上記トランジスタのゲート絶縁膜の劣化が少なくでき、ゲート絶縁膜での電荷の捕捉が少なくできる。したがって、特性が安定して高信頼で、しかも低消費電力で高速に動作可能なメモリ素子が得られる。
【0018】
1実施形態のメモリ素子は、SOI(Silicon on Insulator)基板上に上記メモリ膜構造を形成したので、上記メモリ膜構造を用いて形成したトランジスタのソース領域およびドレイン領域と、ボディとの接合容量を効果的に低減でき、その結果、良好な特性のメモリ素子が形成できる。また、上記SOI基板状に、上記ソース領域およびドレイン領域を浅く形成できるので、短チャネル効果を抑制しつつメモリ素子を微細化できる。
【0019】
1実施形態の半導体装置は、上記メモリ素子が集積されたメモリ回路を備えるので、低電源電圧で動作可能で、低消費電力の半導体装置が得られる。
【0020】
1実施形態の半導体装置は、ロジック回路と、上記メモリ回路とを混載し、このメモリ回路は低電電圧で動作可能であるので、このメモリ回路の電源とロジック回路の電源とを共通にできる。したがって、従来におけるようなメモリ回路用の昇圧回路などが削除できて、小型の半導体装置が得られる。また、上記メモリ回路は本発明のメモリ素子が集積されてなるので、従来よりも高集積化できる。したがって、本実施形態の半導体装置は、メモリ回路およびメモリ回路に関するロジック回路の部分が、集積回路全体に対して占める割合が小さくできる。したがって、従来よりも小型で同一の記憶容量を有し、しかも高機能な半導体装置が得られる。あるいは、従来と同一の寸法で、従来よりも記憶容量が大い半導体装置が得られる。
【0021】
1実施形態の電子機器は、高機能かつ低消費電力の上記半導体装置を備えるので、高機能で低消費電力の電子機器が得られる。したがって、例えば、高機能で電池寿命の長い携帯電話器などが構成できる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0023】
(第1実施形態)
図1(a),(b)は、本発明の第1実施形態のメモリ膜構造を示す断面図である。図1(a)は、メモリ膜構造の全体の断面図であり、図1(b)は、図1(a)のメモリ膜構造の部分の拡大断面図である。このメモリ膜構造は、第1電極である半導体基板102上に、導電体微粒子としてのシリコン微粒子302を含有する絶縁膜としてのシリコン酸化膜202を形成している。このシリコン酸化膜202上に、第2電極である導電体膜としてのポリシリコン膜502を形成している。上記シリコン微粒子302は、上記シリコン酸化膜202中の上記ポリシリコン膜502の近傍に配置されている。上記シリコン酸化膜202は、上記シリコン微粒子302のポリシリコン膜502側を覆うと共に、このポリシリコン膜502側に突出する凸状膜部202aを備える。このシリコン酸化膜の凸状膜部202aは、上記シリコン微粒子302の形状を倣って概略ドーム状をなしている。
【0024】
上記シリコン酸化膜の凸状膜部202aはd2の厚みに形成する一方、上記シリコン酸化膜202のシリコン微粒子302よりも半導体基板102側の部分をd1以上の厚みに形成している。上記シリコン酸化膜202の上記シリコン微粒子302の上側の厚みd2や、上記シリコン酸化膜202の上記シリコン微粒子302の下側の厚みd1や、上記シリコン微粒子302の粒径は、1nm〜10nm程度のオーダーの寸法に形成している。
【0025】
ただし、上記シリコン酸化膜202の各部の寸法について、上記d1およびd2が過度に小さい場合、トンネル効果によってトンネル電流が増大して、シリコン酸化膜202の絶縁膜としての機能が失われる。一方、上記d2が過度に大きい場合、電荷の透過が阻害され、電荷の書換え時に高電圧の印加が必要となり、その場合、シリコン微粒子302とポリシリコン膜502との間の絶縁破壊を招く虞がある。したがって、上記d1は2.5nm〜8nm程度であり、上記d2は1.5nm〜4nm程度であるのが好ましい。
【0026】
また、上記シリコン微粒子302は、粒径が過小になると量子サイズ効果が大きくなって、電荷の注入・放出のために大電流が必要となる一方、粒径が過大になると、このメモリ膜構造を用いた素子を微細化した場合、素子毎のシリコン微粒子数のばらつきが大きくなって素子特性がばらつく虞があり、また、素子の微細化自体が困難になる。したがって、上記シリコン微粒子の粒径は、1nm〜7nm程度であるのが好ましい。本実施形態では、上記シリコン微粒子302の粒径を3〜6nm程度に形成している。
【0027】
また、上記シリコン絶縁膜202は、上記シリコン微粒子302の下側部分の厚みd1を、上記シリコン微粒子302上側部分の厚みd2よりも大きく形成して、d1>d2を満たすようにしている。具体的には、d1は3〜5nm程度であり、d2は1〜3nm程度である。この構成により、上記シリコン絶縁膜202について、シリコン微粒子302の下側部分を上側部分よりも厚みを増してトンネル確率を減少させて、電荷の移動を抑制している。すなわち、上記半導体基板102とポリシリコン膜502の間に電位差を与えた場合、上記シリコン微粒子302とポリシリコン膜502とが主に電荷の授受を行う一方、上記シリコン微粒子302と半導体基板102とが電荷の授受を殆ど行わないようにしている。
【0028】
ここで、シリコン微粒子を含有する絶縁膜について、シリコン微粒子の上側部分とシリコン微粒子の下側部分とで材質を異ならせて、上記絶縁膜の下側部分の電荷に対するポテンシャルを、上側部分よりも高くしてもよい。
【0029】
上記構成のメモリ膜構造に電荷を注入する場合、第1電極としての半導体基板102に対して、第2電極としてのポリシリコン膜502に負電圧を印加する。これによって、図2(a)の矢印A,A・・・で示すように、電子がポリシリコン膜502からシリコン酸化膜202の上側部分を透過して、シリコン微粒子302に注入される。矢印A,A・・・は、電子がシリコン微粒子302に注入される様子を模式的に示している。
【0030】
図2(b)は、比較のため、シリコン酸化膜1202の表面を平坦に形成したメモリ膜構造を示す図である。図2(b)のメモリ膜構造では、半導体基板1102に対してポリシリコン膜1502に負電荷を印加すると、ポリシリコン膜1502からシリコン微粒子1302に注入される電子は、矢印Bで示すように、シリコン酸化膜1202のポリシリコン膜1502とシリコン微粒子1302との間が最も狭い部分のみを透過する。したがって、シリコン微粒子1302への電子の注入に時間がかかる。
【0031】
一方、本実施形態のメモリ膜構造では、図2(a)の矢印A,A・・・で示すように、シリコン酸化膜202のシリコン微粒子302の上側の比較的広い範囲にわたって電子が透過するので、シリコン微粒子302への電子の注入は短時間で行なわれる。
【0032】
上記メモリ膜構造において、シリコン微粒子302から電荷を放出させる場合、上記半導体基板102に対してポリシリコン膜502に正電圧を印加する。これによって、図2(a)の矢印A,A・・・の逆向きに、上記シリコン酸化膜202の上記シリコン微粒子302の上側の比較的広い範囲で、シリコン微粒子302からポリシリコン膜502に向って電子が透過する。この電子の放出も、電子の注入と同じように短時間で実行される。
【0033】
上記シリコン微粒子302に関して電子を注入および放出する際、半導体基板102に対してポリシリコン膜502に電圧を印加したときに、上記半導体基板102とシリコン微粒子302との間では電荷の出入りが殆ど起こらない。したがって、上記半導体基板102とシリコン酸化膜202との間の界面付近における欠陥や電荷のトラップが防止できる。また、上記半導体基板102とシリコン微粒子302との間に電荷が殆ど出入しないので、上記ポリシリコン膜502とシリコン微粒子302との間の電子の注入・放出が、効率良く実行できる。したがって、本実施形態のメモリ膜構造は、動作の高速化と低消費電力化が実現できる。
【0034】
上記メモリ膜構造について、半導体基板102とポリシリコン膜502との間の印加電圧を変えた場合の容量の変化を測定した。具体的には、印加電圧を+3Vから−3Vに減少し、その後、−3Vから+3Vに増加させた。この場合の容量の変化を測定し、横軸が印加電圧で縦軸が容量のグラフに示した。その結果、印加電圧が+3Vから−3Vに減少した際に表れる曲線よりも、印加電圧が−3Vから+3Vに増加した際に表れる曲線が、電圧の正方向にシフトして、ヒステリシス特性を示した。この場合の曲線のシフト量は、最大で約0.2Vに相当する量であった。したがって、ヒステリシス特性を示す電圧領域の電圧を印加し、そのときの容量を測定することによって、情報の書込み状態と消去状態とを判定することができる。例えば、電子が注入されている場合の容量は、電子が放出されている場合の容量よりも大きいので、測定された容量値が所定値よりも大きい場合は書き込み状態、測定された容量値が所定値よりも小さい場合は消去状態と判断できる。また、上記印加電圧を−3Vから+3Vに変えて容量を測定した結果から、印加電圧が−3Vのときに情報の書込みが行なわれ、+3Vのときに情報の消去が行なわれることが分かった。
【0035】
本実施形態において、上記シリコン酸化膜の凸状膜部202aは、上記シリコン微粒子302の形状を倣って概略ドーム状をなしたが、シリコン酸化膜の凸状膜部は、このシリコン酸化膜が含有するシリコン微粒子の形状に対応して、他の形状を有してもよい。要は、絶縁膜の凸状膜部は、その絶縁膜に含有された導電体微粒子の形状に対応する形状をなして、上記導電体微粒子が上記凸状膜部を介して導電体膜と接する部分が比較的大面積に、かつ、上記導電体微粒子と導電体膜との間の距離が所定の距離に形成されていればよい。
【0036】
(第1参考例)
図3(a),(b)は、第1参考例としてのメモリ膜構造を示す断面図である。図3(a)は、メモリ膜構造の全体の断面図であり、図3(b)は、図3(a)のメモリ膜構造の部分の拡大断面図である。このメモリ膜構造は、第1電極である半導体基板103上に、導電体微粒子としてのシリコン微粒子303を含有する絶縁膜としてのシリコン酸化膜203と、第2電極である導電体膜としてのポリシリコン膜503とを形成している。上記ポリシリコン膜503は、上記シリコン微粒子303に向ってシリコン酸化膜203側に突出する突出部503aを備える。
【0037】
上記第1電極と第2電極に電位差を与えた場合、上記ポリシリコン膜の突出部503aに電界集中を生じさせて、この突出部503aを経て、ポリシリコン膜503とシリコン微粒子303との間で電子の授受を行うようにしている。
【0038】
また、上記シリコン微粒子303の上側の表面と、上記ポリシリコン膜の突出部503aとの間の距離d4と、上記シリコン微粒子303の下側の表面と、半導体基板103とシリコン酸化膜203の間の境界面との間の距離d3について、d3>d4の関係を満たすようにしている。具体的には、d3を4nmにすると共に、d4を3nmにしている。これによって、電荷の授受が、確実にシリコン微粒子303とポリシリコン膜503との間で行なわれるようにしている。
【0039】
ここにおいて、上記d3とd4を例えば4nmに略同一に形成した場合でも、上記ポリシリコン膜503は突出部503aを備えるので、このポリシリコン膜503と上記シリコン微粒子303とで電荷の授受を行なうことができる。
【0040】
また、上記シリコン微粒子303の上側の表面と、上記ポリシリコン膜の突出部503aとの間の距離d4は、1nm〜5nm程度の比較的広い範囲に形成できる。これは、上記突出部503aに効果的に電界集中が生成されるので、d4が多少大きくなった場合であっても、ポリシリコン膜503からシリコン微粒子303に電荷の注入が行なわれ易い一方、d4が多少小さくなった場合であっても、シリコン微粒子303からポリシリコン膜503に電荷の放出が行なわれ難いからである。したがって、上記距離d4が多少ばらついてもメモリ膜構造の性能への影響が少ないので、上記距離d4の許容範囲が比較的広くなって、メモリ膜構造の製造時の歩留まりが向上できる。
【0041】
上記シリコン微粒子303の粒径は、2nm〜6nm程度に形成するのが好ましい。この寸法に形成することによって、量子サイズ効果が適切に奏される。また、上記シリコン微粒子303の下側の表面と、半導体基板103とシリコン酸化膜203の間の境界面との間の距離d3は、3nm〜5nmであるのが好ましい。また、上記シリコン微粒子303の上側の表面と、上記ポリシリコン膜の突出部503aとの間の距離d4は、2nm〜3nm程度であるのが好ましい。
【0042】
上記構成のメモリ膜構造は、以下のようにして電荷の注入・放出を行なう。すなわち、第1電極である半導体基板103に対して第2電極であるポリシリコン膜503に、負電圧を印加する。そうすると、図4(a)の矢印Cで示すように、電子が、ポリシリコン膜の突出部503aからシリコン微粒子303に向って、シリコン酸化膜203を介して注入される。このとき、上記ポリシリコン膜503に電界集中が生じるので、電子が比較的移動し易い。一方、上記半導体基板103に対してポリシリコン膜503に正電圧を印加すると、図4(a)の矢印Dで示すように、シリコン微粒子303の電子がポリシリコン膜の突出部503aに向って放出される。このとき、注入時におけるような電界集中は生じないので、電子は比較的移動し難い。図4(a)において、矢印Cと矢印Dの長さによって電子の移動し易さを示している。図4(b)は、比較のため、ポリシリコン膜1503とシリコン酸化膜1203の間の境界面を平坦に形成したメモリ膜構造を示す図である。このメモリ膜構造では、半導体基板1103に対してポリシリコン膜1503に負電荷を印加して、矢印Eで示すようにシリコン微粒子1303に電子を注入する場合と、半導体基板1103に対してポリシリコン膜1503に正電荷を印加して、矢印Fで示すようにシリコン微粒子1303から電子を放出させる場合とで、電子の移動のし易さは略同じである。したがって、この比較例のメモリ膜構造は、電子の注入のために比較的高電圧が必要である一方、電子の放出は比較的低電圧で実行される。すなわち、消費電力が比較的大きく、電子の保持特性が比較的悪い。
【0043】
また、図4(a)に示すように、上記ポリシリコン膜の突出部503aの先端を鋭く尖らせるのが好ましい。これによって、第2電極に負電荷を印加した時のポリシリコン膜の突出部503aへの電界集中効果が増大する。
【0044】
以上のように、本参考例のメモリ膜構造は、上記ポリシリコン膜の突出部503aでの電界集中を利用してシリコン微粒子303に電子を注入するので、低電圧で高速に電子注入が実行できる。したがって、情報の書込み・消去動作の高速化と、低消費電力化が実現できる。また、上記シリコン微粒子303に注入された電子は比較的放出され難いので、情報の保持特性の向上が実現できる。
【0045】
また、本参考例のメモリ膜構造は、上記半導体基板103とシリコン微粒子303との間では電荷が殆ど授受されないので、上記半導体基板103とシリコン酸化膜203との境界面近傍に、電荷の注入・放出に起因する欠陥が生じたり、電荷のトラップが生じたりすることが効果的に防止できる。また、上記シリコン酸化膜203は、上記ポリシリコン膜の突出部503aが形成された部分以外の部分は、厚みが比較的厚く形成できるので、第1電極である半導体基板103と第2電極であるポリシリコン膜503との間のリーク電流を効果的に防止できる。その結果、このメモリ膜構造の情報の保持特性を向上できる。
【0046】
また、本参考例のメモリ膜構造について、印加電圧を+3Vから−3Vに減少し、その後、−3Vから+3Vに増加させた場合の容量の変化を測定し、その測定結果をグラフに示したところ、第1実施形態と同様のヒステリシス特性が得られることが分かった。上記印加電圧の低減時の曲線と、印加電圧の増加時の曲線との間の電圧方向のシフト量は、最大で約0.25Vに相当する量であった。したがって、ヒステリシス特性を示す電圧領域の電圧を印加し、そのときの容量を測定することによって、情報の書込み状態と消去状態とを判定することができる。
【0047】
(第2実施形態および第2参考例)
図5(a),(b)は、本発明の第2実施形態および第2参考例のメモリ膜構造を示す断面図である。本実施形態のメモリ膜構造は、第1実施形態および第1参考例のメモリ膜構造と比較して、絶縁膜中の導電体微粒子よりも半導体基板側に、第2の導電体膜を備える点が異なる。
【0048】
図5(a)のメモリ膜構造は、シリコン微粒子304と半導体基板104の間に、絶縁層204,214を介して、第2導電体膜としてのシリコン膜314を備える。上記シリコン膜314はポリシリコンからなり、4nm〜6nm程度の厚みを有する。このシリコン膜314の上側には、上記シリコン微粒子304を含有する絶縁層としての上側シリコン酸化膜204が形成されている。上記シリコン膜314の下側には、絶縁層としての下側シリコン酸化膜214が、下面を半導体基板104に接して形成されている。上記上側シリコン酸化膜204は、上記シリコン微粒子304を覆うと共にポリシリコン膜504側に突出する凸状膜部204aを備える。
【0049】
図5(b)のメモリ膜構造は、シリコン微粒子305と半導体基板105の間に、絶縁層205,215を介して、第2導電体膜としてのシリコン膜315を備える。このシリコン膜315はポリシリコンからなり、4nm〜6nm程度の厚みを有する。このシリコン膜315の上側には、上記シリコン微粒子305を含有する絶縁層としての上側シリコン酸化膜205が形成されている。上記シリコン膜315の下側には、絶縁層としての下側シリコン酸化膜215が、下面を半導体基板105に接して形成されている。上記ポリシリコン膜505は、上記シリコン微粒子305に向って上側シリコン酸化膜205側に突出する突出部505aを備える。
【0050】
図5(a),(b)のメモリ膜構造において、上記半導体基板104,105と、上記ポリシリコン膜504,505との間に所定の電位差を与える。そうすると、図5(a)のメモリ膜構造では、上記ポリシリコン膜504から上記凸状膜部204aを透過してシリコン微粒子304に電荷が注入され、この注入された電荷は上記シリコン膜314に蓄積される。図5(b)のメモリ膜構造では、上記ポリシリコン膜505から上記突出部505aを介してシリコン微粒子305に電荷が注入され、この注入された電荷は、上記シリコン膜315に蓄積される。
【0051】
本実施形態および本参考例のメモリ膜構造では、上記シリコン膜314,315に電荷が略均一に分布するので、第1実施形態および第1参考例におけるようなシリコン微粒子304,305に電荷を蓄積する場合と異なり、微粒子の分布のばらつきによって電荷の分布にばらつきが生じることが無い。すなわち、本実施形態のメモリ膜構造は、製造時に分布のばらつきが比較的生じやすい微粒子には電荷を蓄積しないで、シリコン膜314,315に電荷を蓄積するので、安定した特性を有するメモリ膜構造が、容易かつ安定に製造できる。上記電荷を微粒子に蓄積する場合、この微粒子の分布のばらつきに起因する特性のばらつきは、メモリ膜構造の微細化度合いが大きい程顕著になる。しかしながら、本実施形態のメモリ膜構造は、微粒子に電荷を蓄積しないでシリコン膜314,315に電荷を蓄積するので、微細化が進行しても、電荷の分布が略均一に保持できる。すなわち、本実施形態のメモリ膜構造は、特性を劣化させることなく容易に微細化できる。
【0052】
また、上記シリコン膜314,315への電荷の注入・放出は、上記シリコン微粒子304,305を介して行なわれると共に、このシリコン微粒子304,305はクーロンブロッケイド効果を奏するので、上記シリコン膜314,315への電荷の保持特性が良好になる。したがって、上記シリコン膜314,315と、第2電極としてのポリシリコン膜504,505との間にあって、上記シリコン微粒子304,305が含有される上側シリコン酸化膜204,205の厚みを薄くすると、電荷の保持特性が比較的良好で、しかも、書込み速度が高速のメモリ膜構造が得られる。
【0053】
本実施形態のメモリ膜構造について、印加電圧を+3Vから−3Vに減少し、その後、−3Vから+3Vに増加させた場合の容量の変化を測定し、その測定結果をグラフに示したところ、第1実施形態と同様のヒステリシス特性が得られた。上記印加電圧の低減時の曲線と、印加電圧の増加時の曲線との間の電圧方向のシフト量は、最大で約0.35Vに相当する量であった。したがって、ヒステリシス特性を示す電圧領域の電圧を印加し、そのときの容量を測定することによって、情報の書込み状態と消去状態とを判定することができる。
【0054】
本実施形態において、上記上側シリコン酸化膜204と下側シリコン酸化膜214とは、互いに異なる材料で形成してもよい。また、上記上側シリコン酸化膜205と下側シリコン酸化膜214とは、互いに異なる材料で形成してもよい。
【0055】
(第3実施形態および第3参考例)
図6(a),(b)は、本発明の第3実施形態および第3参考例のメモリ膜構造を示す断面図である。本実施形態および本参考例のメモリ膜構造は、第1実施形態および第1参考例のメモリ膜構造と比較して、絶縁膜中の導電体微粒子よりも半導体基板側に、第2の導電体微粒子を備える点が異なる。
【0056】
図6(a)のメモリ膜構造は、絶縁膜としてのシリコン酸化膜206中に、第1のシリコン微粒子306aと、第2のシリコン微粒子306bとを含有している。上記第1シリコン微粒子306aは、第2電極としてのポリシリコン膜506の近傍に配置されており、この第1シリコン微粒子306aよりも第1電極としての半導体基板106側に、上記第2シリコン微粒子306bが配置されている。上記シリコン酸化膜206の上記第1シリコン微粒子306aとポリシリコン膜506との間の部分は、上記ポリシリコン膜506側に突出する凸状膜部206aに形成されている。
【0057】
図6(b)のメモリ膜構造は、絶縁膜としてのシリコン酸化膜207中に、第1のシリコン微粒子307aと、第2のシリコン微粒子307bとを含有している。上記第1シリコン微粒子307aは、第2電極としてのポリシリコン膜507の近傍に配置されており、この第1シリコン微粒子307aよりも第1電極としての半導体基板107側に、上記第2シリコン微粒子307bが配置されている。上記ポリシリコン膜507は、上記第1シリコン微粒子307aに向ってシリコン酸化膜207側に突出する突出部507aを備える。
【0058】
図6(a),(b)のメモリ膜構造において、上記半導体基板106,107と、上記ポリシリコン膜506,507との間に所定の電位差を与える。そうすると、図6(a)のメモリ構造では、上記シリコン酸化膜の凸状膜部206aを透過して第1シリコン微粒子306aに電荷が注入される。図5(b)のメモリ構造では、上記ポリシリコン膜の突出部507aに電界集中が生じて、この突出部507aに対向する第1シリコン微粒子307aに電荷が注入される。上記電荷が注入された第1シリコン微粒子306a,307aは、上記第2シリコン微粒子306b,307bに電荷を渡し、この電荷は第2シリコン微粒子306b,307bに蓄積される。上記第1シリコン微粒子306a,307aは、クーロンブロッケイド効果を奏するので、上記蓄積された電荷は容易に放出されない。したがって、このメモリ構造は、低電圧で高速に電荷が注入できると共に、良好な電荷保持特性が得られる。
【0059】
また、上記電荷が保持される第2シリコン微粒子306b,307bは、離散的に絶縁膜207中に含有されているので、一部に電荷の保持能力が劣る箇所が生じても、この箇所の近傍に蓄積された電荷がリークするのみである。したがって、本実施形態のメモリ膜構造は、従来のフローティングゲート型メモリにおけるような一部の欠陥部分を通じて全ての電荷がリークするようなことがなくて、高い信頼性が得られる。
【0060】
図7は、図6(a)のメモリ膜構造と、図6(b)のメモリ膜構造とを比較するために、各々のメモリ膜構造の一部を拡大して示した比較図である。図7において、左側が、シリコン酸化膜の凸状膜部206aを備える図6(a)のメモリ膜構造1の一部であり、右側が、ポリシリコン膜の突出部507aを備える図6(b)のメモリ膜構造2の一部である。上記凸状膜部206aを備えるメモリ膜構造1と、上記突出部507aを備えるメモリ膜構造2とは、全体の厚みが略同じに形成されている。
【0061】
図7から分かるように、上記メモリ膜構造1の第1電極106と第2電極506との離隔d7よりも、上記メモリ膜構造2の第1電極107と第2電極507との離隔d8のほうが大きい。したがって、上記凸状膜部206aを備える1のメモリ膜構造よりも、上記突出部507aを備える2のメモリ膜構造のほうが、第1および第2電極間の直接リークを効果的に防止できる。また、上記メモリ膜構造1の第2電極506と第2シリコン微粒子306bとの離隔d5よりも、上記メモリ膜構造2の第2電極507と第2シリコン微粒子307bとの離隔d6のほうが大きい。したがって、上記1のメモリ膜構造よりも、2のメモリ膜構造のほうが、第2電極と第2シリコン微粒子との間の直接リークを効果的に防止できる。すなわち、上記凸状膜部206aを備える1のメモリ膜構造よりも、上記突出部507aを備える2のメモリ膜構造のほうが、より高い信頼性が得られると言える。
【0062】
本実施形態および本参考例において、第2シリコン微粒子306b,307bは、半導体基板106,107の幅方向において、第1シリコン微粒子306a,307aと略同じ位置に配置したが、第2シリコン微粒子は、半導体基板の幅方向において、第1シリコン微粒子と異なる位置に配置してもよい。すなわち、図8に示すように、半導体基板117の幅方向において、ポリシリコン膜517の突出部517aと略同じ位置に第1シリコン微粒子317aを配置し、この第1シリコン微粒子317aの半導体基板117側に、この半導体基板117の幅方向において、上記第1シリコン微粒子317aとずらして第2シリコン微粒子317bを配置してメモリ膜構造を構成してもよい。このメモリ膜構造によれば、図6(b)のメモリ膜構造によって得られる効果に加えて、メモリ膜構造全体の厚みを薄くすることができて、静電容量を増加できる。したがって、このメモリ膜構造を電界効果型トランジスタに用いた場合、ゲート絶縁膜を薄くすることができて、短チャンネル効果を抑制し、メモリ素子の微細化ができる。
【0063】
(第4実施形態および第4参考例)
図9は、第4参考例のメモリ素子を示した図である。このメモリ素子は、第1参考例のメモリ膜構造を用いて電界効果型トランジスタを構成している。このメモリ素子は、シリコン基板108上に、第2実施形態のメモリ膜構造と同様にシリコン微粒子308を含有するシリコン酸化膜208と、この酸化膜208上に形成されて突出部508aを有するポリシリコン膜508とを備える。上記シリコン基板108の表面付近に、ソース領域608とドレイン領域708が形成されており、このソース領域608とドレイン領域708との間のチャネル領域上に、上記シリコン酸化膜208が形成されている。このシリコン酸化膜208はゲート絶縁膜として働き、上記ポリシリコン膜508はゲート電極として働く。上記シリコン基板108はP型の導電型を有し、上記ソース領域608およびドレイン領域708はN型の導電型を有して、Nチャネル型の電界効果型トランジスタを構成している。なお、上記シリコン基板108をN型の導電型にすると共に、上記ソース領域608およびドレイン領域708をP型の導電型にして、Pチャネル型の電界効果型トランジスタを構成してもよい。また、上記ゲート電極は、ポリシリコンに限らず金属で形成してもよい。
【0064】
本参考例のメモリ素子は、上記ゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜208が含有するシリコン微粒子308と、このシリコン酸化膜208上のゲート電極としてのポリシリコン膜508との間で電荷が授受される。したがって、従来におけるような半導体基板とゲート絶縁膜との界面が電荷の透過によって劣化することが回避できる。また、上記シリコン基板108とシリコン酸化膜208との間の界面が平坦に形成できるので、良好なトランジスタ特性が得られる。したがって、特に、読出し時において、特性の変動や、チャネル電流の不足が抑制できるので、高精度な読出しができる。したがって、このメモリ素子は、メモリウィンドウを必要以上に大きくする必要がなく、また、ドレイン電圧の比較的低くてよいので、低電圧作動、低消費電力化が実現でき、しかも、高信頼にできる。
【0065】
本参考例において、第1参考例のメモリ膜構造を用いたが、第4実施形態の一例として、第1実施形態のメモリ膜構造を用いてメモリ素子を構成してもよい。この場合、高速書換え可能なメモリ素子が得られる。また、第4実施形態の別の例として、第2または第3実施形態のメモリ膜構造を用いてメモリ素子を構成してもよい。
【0066】
(第5実施形態および第5参考例)
図10は、第5参考例のメモリ素子を示す図である。このメモリ素子は、SOI基板上に、第1参考例のメモリ膜構造を形成している。すなわち、シリコン基板109上の埋め込み酸化膜809上に、ソース領域609、ドレイン領域709およびボディ909を形成し、このボディ909の上に、シリコン微粒子308を含有するシリコン酸化膜208と、この酸化膜208上に形成されて突出部508aを有するポリシリコン膜508とを備える。上記シリコン酸化膜208がゲート絶縁膜として働き、上記ポリシリコン膜508がゲート電極として働く。
【0067】
本参考例のメモリ素子は、第4参考例のメモリ素子で得られる効果に加えて、上記ソース領域609とボディ909との接合容量や、上記ドレイン領域709とボディ909との接合容量を非常に小さくできる。したがって、メモリ素子の動作のさらなる高速化、低消費電力化が実現できる。また、上記ソース領域609およびドレイン領域709は、SOI基板上に形成されるので、厚みを容易に薄くできて、短チャネル効果の抑制と、メモリ素子のさらなる微細化が実現できる。
【0068】
本発明の第5実施形態として、本参考例において、第1実施形態のメモリ膜構造、あるいは第2または第3実施形態のメモリ膜構造をSOI基板上に形成してもよい。
【0069】
また、図10に示すような完全空乏型のメモリ素子を形成したが、部分空乏型のメモリ素子を形成してもよい。
【0070】
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態は、第5実施形態のメモリ素子が集積されたメモリ回路と、ロジック回路とを混載した半導体装置である。図11(a)は、本実施形態の半導体装置を示す概略平面図である。この半導体装置は、上記メモリ回路が形成されたメモリセル領域100と、ロジック回路としての周辺回路が形成された周辺回路領域200と、上記メモリ回路および周辺回路以外の機能を有する機能回路が形成された機能回路領域300とを備える。
【0071】
図11(b)は、比較のため、従来の半導体装置を示す概略平面図であり、メモリセル領域110のメモリ回路は、従来のフラッシュメモリが集積されている。この従来の半導体装置は、上記フラッシュメモリの駆動電圧がロジック回路の駆動電圧よりも高いので、周辺回路に昇圧回路や制御回路などが必要になり、また、メモリ回路の高い駆動電圧に耐えるように、周辺回路のトランジスタのゲート酸化膜を厚くする必要があって、周辺回路領域210の面積が大きくなっていた。したがって、半導体装置の小型化がし難くかった。また、上記メモリセル領域110および周辺回路領域210が大きいので、他の機能のための機能回路領域310を形成する割合が小さくなっていた。
【0072】
一方、本実施形態の半導体装置は、上記メモリセル領域100のメモリ回路は第5実施形態のメモリ素子からなり、低電圧で動作可能であるので、周辺回路と同じ電源電圧で動作可能である。したがって、上記メモリ回路と周辺回路とが電源を共有でき、従来の昇圧回路や制御回路が削除できるので、周辺回路領域200の面積が小さくできる。また、上記メモリ回路の駆動電圧が低いので、周辺回路のトランジスタのゲート酸化膜が薄くでき、上記周辺回路領域200の面積が小さくできる。さらに、上記メモリ回路は高集積化できるので、メモリセル領域100の面積が小さくできる。したがって、本実施形態の半導体装置は、図11(a)に示すように、従来の図11(b)の半導体装置よりも小型にでき、また、メモリ回路および周辺回路以外の回路のための領域を多く占めることができて、従来よりも高機能の半導体装置が構成できる。
【0073】
あるいは、従来と同じ大きさの半導体装置に、従来よりも多いメモリ素子を集積して、半導体装置の記憶容量を従来よりも大きくできる。これによって、大規模なプログラムを一時的に読み込み、電源を切断した後もそのプログラムを保持し、電源を再投入した後もプログラムを実行するといったことが可能になり、かつ、そのプログラムを他のプログラムと入れ換えることもできる。
【0074】
(第7実施形態)
図12は、本発明の第7実施形態の電子機器としての携帯電話器を示す図である。この携帯電話器は、制御回路911に、第6実施形態の半導体装置を組み込んでいる。上記制御回路911に組み込まれた半導体装置は、メモリ回路と論理回路とを混載したLSI(大規模集積回路)であり、電池912に電力を供給されて、RF回路部913および表示部914を制御している。915はアンテナ部、916は信号線、917は電源線である。上記制御回路911は、本実施形態の半導体装置が組み込まれているので、この携帯電話器を高機能化でき、また、消費電力を低減して、電池寿命を大幅に延長することができる。
【0075】
本実施形態では、上記半導体装置を用いて携帯電話器を構成したが、携帯情報端末やゲーム機器など他の電子機器を構成してもよい。
【0076】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明によれば、導電体微粒子を含有する絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された導電体膜とを備えるメモリ膜構造に関し、上記導電体微粒子を導電体膜側の近傍に配置し、上記絶縁膜に、上記導電体微粒子の導電体膜側を覆うと共に導電体膜側に突出する凸状膜部を備えるので、上記凸状膜部を介して、導電体微粒子と導電体膜との間で、高速かつ低電圧で電荷が授受できる。したがって、絶縁膜の劣化が低減でき、しかも、高速動作で低消費電力のメモリ構造膜が得られる。
【0077】
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1(a)は、本発明の第1実施形態のメモリ膜構造の全体の断面図であり、図1(b)は、図1(a)のメモリ膜構造の部分の拡大断面図である。
【図2】 図2(a)は、図1(b)のメモリ膜構造について、電荷が注入される様子を示す図であり、図2(b)は、シリコン酸化膜の表面を平坦に形成したメモリ膜構造を示す比較図である。
【図3】 図3(a)は、第1参考例としてのメモリ膜構造の全体断面図であり、図3(b)は、図3(a)のメモリ膜構造の部分の拡大断面図である。
【図4】 図4(a)は、図3(b)のメモリ膜構造について、電荷の注入・放出の様子を示す図であり、図4(b)は、シリコン酸化膜の表面を平坦に形成したメモリ膜構造を示す比較図である。
【図5】 図5(a),(b)は、本発明の第2実施形態および第2参考例のメモリ膜構造を示す断面図である。
【図6】 図6(a),(b)は、本発明の第3実施形態および第3参考例のメモリ膜構造を示す断面図である。
【図7】 図6(a)のメモリ膜構造の一部と、図6(b)のメモリ膜構造の一部とを各々拡大して示した比較図である。
【図8】 第3参考例のメモリ膜構造の変形例を示す図である。
【図9】 本発明の第4参考例のメモリ素子を示した図である。
【図10】 本発明の第5参考例のメモリ素子を示す図である。
【図11】 図11(a)は、本発明の第6実施形態の半導体装置を示す概略平面図であり、 図11(b)は、従来の半導体装置を示す概略平面図である。
【図12】 本発明の第7実施形態の電子機器としての携帯電話器を示す図である。
【図13】 従来のメモリ素子を示す図である。
【符号の説明】
102 半導体基板
202 シリコン酸化膜
202a 凸状膜部
302 シリコン微粒子
502 ポリシリコン膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a memory film structure, a memory element, a semiconductor device, and an electronic apparatus.
[0002]
[Prior art]
A conventional memory device is shown in FIG. 13 (see S. Tiwari and F. Rana et al, IEDM Dig., P521 (1995)). This memory element is a nanocrystal floating gate type memory element, and has a thickness of about 2 nm formed by thermal oxidation on the channel region between the source and
[0003]
When writing information into the conventional memory device, a positive voltage is applied to the
[0004]
When reading information from the memory element, a positive voltage is applied to the
[0005]
When erasing information in the memory element, a negative voltage is applied to the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional memory element, electrons are transmitted through the
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a memory film structure in which a gate insulating film can be prevented from being deteriorated and a memory element capable of stable operation can be configured.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a memory film structure of the present invention comprises an insulating film formed on a semiconductor substrate and containing conductive fine particles, and a conductive film formed on the insulating film. The fine particles are arranged in the vicinity of the conductor film. The insulating film includes a convex film portion that covers the conductor film side of the conductor fine particles and protrudes toward the conductor film side. Since the convex film portion covers the conductive fine particles in the vicinity of the conductive film and protrudes toward the conductive film side, the conductive fine particles and the conductive film are interposed via the convex film portion. The contacting part becomes relatively large. Therefore, the conductive fine particles and the conductive film can transfer a relatively large amount of charge in a shorter time than when the boundary surface between the insulating film containing the conductive fine particles and the conductive film is formed flat. . As a result, a memory film structure capable of memory operation at a relatively high speed is obtained.
[0009]
Since the conductive fine particles are arranged in the vicinity of the conductive film side, charge transfer is performed between the conductive fine particles and the conductive film. Therefore, since almost no charge is transmitted through the semiconductor substrate side of the insulating film, deterioration of the insulating film on the semiconductor substrate side is effectively prevented, and deterioration of hysteresis characteristics of the memory film structure is effectively prevented. Therefore, a memory film structure that can be rewritten at high speed and has stable performance can be obtained.
[0010]
Here, the convex film portion of the insulating film that covers the conductor film side of the conductor fine particles and protrudes toward the conductor film side has a shape that follows the shape of the conductor fine particles on the conductor film side. It is preferable to have. As a result, a portion where the conductive fine particles are in contact with the conductive film through the convex film portion of the insulating film can be effectively increased in area. In addition, since the thickness of the convex film portion of the insulating film can be set to a predetermined thickness, a memory film structure with little variation in characteristics can be obtained.
[0011]
In the present specification, the fine particles mean particles having dimensions of nanometer (nm) order or less.
[0012]
Furthermore, the present invention In the memory film structure, the thickness of the convex film portion of the insulating film is made thinner than the thickness of the insulating film on the side of the semiconductor substrate with respect to the conductive fine particles. When a potential difference is applied between the semiconductor substrate and the conductor film, charges are transferred between the conductor fine particles and the conductor film. Therefore, since the portion of the insulating film between the conductive fine particles and the semiconductor substrate has less charge transmission, deterioration of the insulating film on the semiconductor substrate side can be prevented. As a result, a highly reliable memory film structure can be obtained.
[0013]
In addition, since the insulator portion between the conductive fine particles to which the charge is transferred and the conductive film is relatively thin, the time required for the transfer of the charge can be made relatively short, and the charge can be transferred. The potential difference to be applied between the semiconductor substrate and the conductor film can be made relatively small. Therefore, a memory film structure with high speed operation and low power consumption can be obtained.
[0014]
[0015]
In the memory film structure of one embodiment, a second conductor film is provided in the insulating film so as to be located closer to the semiconductor substrate than the conductor fine particles, and the conductor is provided on the second conductor film. The electric charge captured by the fine particles is retained. Since the second conductor film has less variation in charge distribution when holding charges, a memory film structure with less variation in characteristics than holding charges in the conductor fine particles can be obtained.
[0016]
In the memory film structure of one embodiment, second conductive fine particles are provided in the insulating film so as to be located closer to the semiconductor substrate than the conductive fine particles, and the conductive material is provided on the second conductive fine particles. Charges captured by the conductive fine particles on the film side are retained. Since the conductive fine particles on the conductive film side exhibit a Coulomb blockade effect, this memory film structure has a remarkable hysteresis characteristic, and as a result, an improvement in charge reading characteristics and an improvement in charge retention characteristics can be realized. .
[0017]
Since the memory element according to one embodiment includes the field effect transistor formed using the memory film structure, the gate insulating film of the transistor can be hardly deteriorated, and charge trapping in the gate insulating film can be reduced. Therefore, it is possible to obtain a memory element having stable characteristics, high reliability, and low power consumption and capable of operating at high speed.
[0018]
In the memory device of one embodiment, since the memory film structure is formed on an SOI (Silicon on Insulator) substrate, the junction capacitance between the source region and the drain region of the transistor formed using the memory film structure and the body is increased. As a result, a memory element having good characteristics can be formed. Further, since the source region and the drain region can be formed shallowly on the SOI substrate, the memory element can be miniaturized while suppressing the short channel effect.
[0019]
Since the semiconductor device of one embodiment includes a memory circuit in which the memory elements are integrated, a semiconductor device that can operate at a low power supply voltage and has low power consumption can be obtained.
[0020]
The semiconductor device according to one embodiment includes a logic circuit and the memory circuit mixedly, and the memory circuit can operate at a low electric voltage. Therefore, the power supply of the memory circuit and the power supply of the logic circuit can be made common. Therefore, a conventional booster circuit for a memory circuit can be eliminated, and a small semiconductor device can be obtained. In addition, since the memory circuit of the present invention is integrated, the memory circuit can be more highly integrated than ever. Therefore, in the semiconductor device of this embodiment, the ratio of the memory circuit and the logic circuit portion related to the memory circuit to the entire integrated circuit can be reduced. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor device which is smaller than the conventional one, has the same storage capacity, and is highly functional. Alternatively, a semiconductor device having the same dimensions as the conventional one and a larger storage capacity than the conventional one can be obtained.
[0021]
Since the electronic device according to one embodiment includes the semiconductor device with high functionality and low power consumption, an electronic device with high functionality and low power consumption can be obtained. Therefore, for example, a mobile phone having a high function and a long battery life can be configured.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0023]
(First embodiment)
1A and 1B are cross-sectional views showing the memory film structure of the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view of the entire memory film structure, and FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of a portion of the memory film structure of FIG. In this memory film structure, a
[0024]
The
[0025]
However, when d1 and d2 are excessively small with respect to the dimensions of the respective parts of the
[0026]
The silicon
[0027]
Further, the
[0028]
Here, with respect to the insulating film containing silicon fine particles, the upper portion of the silicon fine particles and the lower portion of the silicon fine particles are made of different materials, so that the electric potential of the lower portion of the insulating film is higher than that of the upper portion. May be.
[0029]
When injecting charges into the memory film structure having the above structure, a negative voltage is applied to the
[0030]
FIG. 2B shows a memory film structure in which the surface of the silicon oxide film 1202 is formed flat for comparison. In the memory film structure of FIG. 2B, when a negative charge is applied to the polysilicon film 1502 with respect to the semiconductor substrate 1102, electrons injected from the polysilicon film 1502 into the silicon microparticles 1302 are indicated by an arrow B. Only the narrowest portion between the polysilicon film 1502 and the silicon fine particles 1302 of the silicon oxide film 1202 is transmitted. Therefore, it takes time to inject electrons into the silicon fine particles 1302.
[0031]
On the other hand, in the memory film structure of this embodiment, as shown by arrows A, A... In FIG. 2A, electrons pass through a relatively wide range above the silicon
[0032]
In the memory film structure, when discharging charges from the silicon
[0033]
When electrons are injected into and emitted from the silicon
[0034]
With respect to the memory film structure, the change in capacitance when the applied voltage between the
[0035]
In the present embodiment, the
[0036]
( First reference example )
3 (a) and 3 (b) As a first reference example It is sectional drawing which shows the memory film structure. 3A is a cross-sectional view of the entire memory film structure, and FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view of a portion of the memory film structure of FIG. In this memory film structure, on a
[0037]
When a potential difference is applied to the first electrode and the second electrode, electric field concentration is caused in the protruding
[0038]
Further, the distance d4 between the upper surface of the silicon
[0039]
Here, even when the d3 and d4 are formed to be substantially the same as 4 nm, for example, the
[0040]
The distance d4 between the upper surface of the silicon
[0041]
The silicon
[0042]
The memory film structure configured as described above performs charge injection / discharge in the following manner. That is, a negative voltage is applied to the
[0043]
Further, as shown in FIG. 4A, it is preferable to sharply sharpen the tip of the protruding
[0044]
As above, the book Reference example In this memory film structure, electrons are injected into the silicon
[0045]
Also book Reference example In the memory film structure, since charges are hardly transferred between the
[0046]
Also book Reference example In the memory film structure of FIG. 1, when the applied voltage was decreased from +3 V to −3 V and then increased from −3 V to +3 V, the change in capacitance was measured, and the measurement result is shown in the graph. It was found that the same hysteresis characteristics can be obtained. The amount of shift in the voltage direction between the curve when the applied voltage was reduced and the curve when the applied voltage was increased was an amount corresponding to about 0.25 V at the maximum. Therefore, it is possible to determine the information writing state and the erasing state by applying a voltage in a voltage region exhibiting hysteresis characteristics and measuring the capacitance at that time.
[0047]
( Second embodiment and second reference example )
FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the first of the present invention. Second embodiment and second reference example It is sectional drawing which shows the memory film structure. The memory film structure of this embodiment is the same as that of the first embodiment and First reference example Compared with the memory film structure, the second conductive film is provided closer to the semiconductor substrate than the conductive fine particles in the insulating film.
[0048]
The memory film structure in FIG. 5A includes a
[0049]
The memory film structure in FIG. 5B includes a
[0050]
In the memory film structure of FIGS. 5A and 5B, a predetermined potential difference is applied between the
[0051]
This embodiment And this reference example In this memory film structure, since the charges are distributed substantially uniformly in the
[0052]
In addition, the injection and release of electric charges to and from the
[0053]
For the memory film structure of the present embodiment, the change in capacitance was measured when the applied voltage was decreased from +3 V to -3 V and then increased from -3 V to +3 V, and the measurement results are shown in the graph. Hysteresis characteristics similar to those of one embodiment were obtained. The amount of shift in the voltage direction between the curve when the applied voltage was reduced and the curve when the applied voltage was increased was an amount corresponding to about 0.35 V at maximum. Therefore, it is possible to determine the information writing state and the erasing state by applying a voltage in a voltage region exhibiting hysteresis characteristics and measuring the capacitance at that time.
[0054]
In the present embodiment, the upper
[0055]
( Third embodiment and third reference example )
FIGS. 6 (a) and 6 (b) show the first of the present invention. Third embodiment and third reference example It is sectional drawing which shows the memory film structure. This embodiment And this reference example The memory film structure of the first embodiment and First reference example Compared with this memory film structure, the second conductive fine particles are different from the conductive fine particles in the insulating film on the semiconductor substrate side.
[0056]
The memory film structure of FIG. 6A includes a first silicon
[0057]
The memory film structure of FIG. 6B includes first
[0058]
In the memory film structure shown in FIGS. 6A and 6B, a predetermined potential difference is applied between the
[0059]
In addition, since the second silicon
[0060]
FIG. 7 is an enlarged comparative view showing a part of each memory film structure in order to compare the memory film structure of FIG. 6A and the memory film structure of FIG. 6B. In FIG. 7, the left side is a part of the memory film structure 1 of FIG. 6A provided with the
[0061]
As can be seen from FIG. 7, the distance d8 between the
[0062]
This embodiment And this reference example The second silicon
[0063]
( Fourth embodiment and fourth reference example )
FIG. Fourth reference example It is the figure which showed this memory element. This memory element First reference example A field effect transistor is configured using the above memory film structure. In the memory element, a silicon oxide film 208 containing silicon
[0064]
Book Reference example In this memory element, charges are transferred between the silicon
[0065]
Book Reference example In First reference example The memory film structure of As an example of the fourth embodiment, You may comprise a memory element using the memory film structure of 1st Embodiment. In this case, a high-speed rewritable memory element can be obtained. Also, As another example of the fourth embodiment, First 2 Or second 3 You may comprise a memory element using the memory film structure of embodiment.
[0066]
( Fifth embodiment and fifth reference example )
FIG. 5th reference example It is a figure which shows this memory element. This memory element is formed on an SOI substrate. First reference example The memory film structure is formed. That is, a
[0067]
Book Reference example The memory device 4 Reference examples In addition to the effects obtained with this memory element, the junction capacitance between the
[0068]
As a fifth embodiment of the present invention, Book Reference example The memory film structure of the first embodiment or the 2 Or second 3 The memory film structure of the embodiment may be formed on an SOI substrate.
[0069]
Further, although a fully depleted memory element as shown in FIG. 10 is formed, a partially depleted memory element may be formed.
[0070]
(No. 6 Embodiment)
First of the present invention 6 The embodiment 5 This is a semiconductor device in which a memory circuit in which the memory elements of the embodiment are integrated and a logic circuit are mounted together. FIG. 11A is a schematic plan view showing the semiconductor device of this embodiment. In this semiconductor device, a
[0071]
FIG. 11B is a schematic plan view showing a conventional semiconductor device for comparison, and a conventional flash memory is integrated in the memory circuit of the
[0072]
On the other hand, in the semiconductor device of this embodiment, the memory circuit in the
[0073]
Alternatively, the memory capacity of the semiconductor device can be made larger than in the past by integrating more memory elements than in the past in the same size semiconductor device. This makes it possible to temporarily load a large-scale program, hold the program even after the power is turned off, and execute the program after the power is turned on again. It can be replaced with a program.
[0074]
(No. 7 Embodiment)
FIG. 12 shows the first of the present invention. 7 It is a figure which shows the mobile telephone device as an electronic device of embodiment. This cellular phone is connected to the
[0075]
In the present embodiment, the mobile phone is configured using the semiconductor device, but other electronic devices such as a portable information terminal and a game device may be configured.
[0076]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the present invention, a memory film structure comprising an insulating film containing conductive fine particles and a conductive film formed on the insulating film, the conductive fine particles are connected to the conductive film. Disposed in the vicinity of the side, and the insulating film is provided with a convex film part that covers the conductive film side of the conductive fine particles and protrudes toward the conductive film side. Charges can be transferred between the fine particles and the conductor film at high speed and at a low voltage. Therefore, the deterioration of the insulating film can be reduced, and a memory structure film with high speed operation and low power consumption can be obtained.
[0077]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view of the entire memory film structure according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a portion of the memory film structure of FIG. It is sectional drawing.
FIG. 2A is a diagram showing a state in which charges are injected into the memory film structure of FIG. 1B, and FIG. 2B is a diagram in which the surface of the silicon oxide film is formed flat. It is the comparison figure which shows the memory film structure which was done.
FIG. 3 (a) As a first reference example FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view of a portion of the memory film structure of FIG. 3A.
FIG. 4A is a diagram showing a state of charge injection / discharge in the memory film structure of FIG. 3B, and FIG. 4B is a diagram showing a flat surface of the silicon oxide film. It is a comparison figure which shows the formed memory film structure.
FIGS. 5 (a) and 5 (b) show the first embodiment of the present invention. 2 Embodiment And second reference example It is sectional drawing which shows the memory film structure.
FIGS. 6 (a) and 6 (b) show the first embodiment of the present invention. 3 Embodiment And the third reference example It is sectional drawing which shows the memory film structure.
7 is an enlarged comparative view showing a part of the memory film structure of FIG. 6A and a part of the memory film structure of FIG. 6B.
FIG. 8 3 Reference examples It is a figure which shows the modification of the memory film structure of this.
FIG. 9 shows the first of the present invention. 4 Reference examples It is the figure which showed this memory element.
FIG. 10 shows the first of the present invention. 5 Reference examples It is a figure which shows this memory element.
FIG. 11 (a) shows the first embodiment of the present invention. 6 FIG. 11B is a schematic plan view showing the semiconductor device of the embodiment, and FIG. 11B is a schematic plan view showing the conventional semiconductor device.
FIG. 12 shows the first of the present invention. 7 It is a figure which shows the mobile telephone device as an electronic device of embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating a conventional memory device.
[Explanation of symbols]
102 Semiconductor substrate
202 Silicon oxide film
202a Convex film part
302 Silicon fine particles
502 Polysilicon film
Claims (9)
上記絶縁膜上に形成された導電体膜とを備え、
上記導電体微粒子は上記導電体膜の近傍に配置され、
上記絶縁膜は、上記導電体微粒子の上記導電体膜側を覆うと共に上記導電体膜側に突出する凸状膜部を備え、上記絶縁膜の凸状膜部の厚みは、上記絶縁膜の上記導電体微粒子よりも半導体基板側の部分の厚みよりも薄く形成されていることを特徴とするメモリ膜構造。An insulating film formed on a semiconductor substrate and containing conductive fine particles;
A conductor film formed on the insulating film,
The conductor fine particles are disposed in the vicinity of the conductor film,
The insulating film includes a convex film portion that covers the conductor film side of the conductive fine particles and protrudes toward the conductor film side, and the thickness of the convex film portion of the insulating film is the same as that of the insulating film. A memory film structure, wherein the memory film structure is formed to be thinner than a thickness of a portion closer to the semiconductor substrate than the conductive fine particles .
上記導電体微粒子の粒径は1〜7nm、かつ、上記絶縁膜の凸状膜部の厚みは1〜3nm、かつ、上記絶縁膜の上記導電体微粒子よりも半導体基板側の厚みは3〜5nmであることを特徴とするメモリ膜構造。The particle diameter of the conductive fine particles is 1 to 7 nm, the thickness of the convex film portion of the insulating film is 1 to 3 nm, and the thickness of the insulating film on the semiconductor substrate side from the conductive fine particles is 3 to 5 nm. A memory film structure characterized by
上記絶縁膜中に、上記導電体微粒子よりも半導体基板側に位置するように設けられた第2の導電体膜を備えることを特徴とするメモリ膜構造。The memory film structure according to claim 1 or 2 ,
A memory film structure comprising a second conductor film provided in the insulating film so as to be positioned closer to the semiconductor substrate than the conductor fine particles.
上記絶縁膜中に、上記導電体微粒子よりも半導体基板側に位置するように設けられた第2の導電体微粒子を備えることを特徴とするメモリ膜構造。The memory film structure according to any one of claims 1 to 3 ,
2. A memory film structure comprising a second conductive fine particle provided in the insulating film so as to be positioned closer to a semiconductor substrate than the conductive fine particle.
SOI基板上に上記メモリ膜構造を形成したことを特徴とするメモリ素子。The memory device according to claim 5 , wherein
A memory element, wherein the memory film structure is formed on an SOI substrate.
ロジック回路と、上記メモリ回路とを混載したことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 7 ,
A semiconductor device in which a logic circuit and the memory circuit are mixedly mounted.
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