JP5277500B2 - Manufacturing method of semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は、SiCを用いた2端子構造の半導体メモリ装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor memory device having a two-terminal structure using SiC.

近年、半導体メモリ装置は情報の記憶装置として様々な分野で用いられている。従来の半導体メモリ装置としては、フラッシュメモリやRAM、ROMなどが用いられており、それらは制御で電極が3つ必要な3端子メモリである。近年、記憶情報の拡大の要請に伴って、2つの電極で制御可能な2端子メモリが期待されている。2端子メモリは3端子メモリに比較して電極数が減るため、回路基板でのメモリ1個当たりにおける占有面積が少なくなる。したがって、回路基板の単位面積当たりのメモリ数を増加することができ、面積当たりの情報量、すなわち記憶情報密度を拡大することができる。これにより、面積の小さい基盤で、取り扱える情報量の多い記憶装置の作製が可能になる。   In recent years, semiconductor memory devices have been used in various fields as information storage devices. As a conventional semiconductor memory device, a flash memory, a RAM, a ROM, or the like is used, which is a three-terminal memory that requires three electrodes for control. In recent years, a two-terminal memory that can be controlled by two electrodes is expected in accordance with a request for expansion of stored information. Since the number of electrodes of the two-terminal memory is smaller than that of the three-terminal memory, the occupied area per memory on the circuit board is reduced. Therefore, the number of memories per unit area of the circuit board can be increased, and the amount of information per area, that is, the stored information density can be increased. This makes it possible to manufacture a storage device with a large amount of information that can be handled on a small-sized substrate.

2端子メモリとして、須田らはSiCを用いた不揮発性抵抗変化型メモリを報告した(非特許文献1参照)。この2端子メモリ100は、図14に示すように、n型Si基板101上にSiC層102を形成し、このSiC層102上にSi酸化物層103を生成し、n型Si基板101の裏面及びSi酸化物層103の表面に対の電極104及び105を形成して構成される。Si酸化物層103は、SiC層102の上部を1000℃で熱酸化することにより、Cが酸素(O)の進入によってCOまたはCOとして除去され、残ったSiが酸素(O)と結合して形成される。Si基板101側のSiCは酸化されずにSiCのまま残る。 As a two-terminal memory, Suda et al. Reported a nonvolatile resistance change type memory using SiC (see Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 14, the two-terminal memory 100 includes a SiC layer 102 formed on an n-type Si substrate 101, a Si oxide layer 103 formed on the SiC layer 102, and a back surface of the n-type Si substrate 101. The pair of electrodes 104 and 105 are formed on the surface of the Si oxide layer 103. The Si oxide layer 103 is formed by thermally oxidizing the upper part of the SiC layer 102 at 1000 ° C., whereby C is removed as CO or CO 2 by the ingress of oxygen (O), and the remaining Si is combined with oxygen (O). Formed. The SiC on the Si substrate 101 side remains as SiC without being oxidized.

上記2端子メモリ100の概略動作を説明する。Si酸化物層103は、酸化温度が1000℃と低いため、完全酸化物であるSiOと、不完全酸化物SiOx(x<2)が混在する。このSi酸化物は、SiCのCが除去される過程を通して形成されたため、温度が低いと他の原子と結合していない未結合手をもったSiが結晶欠陥として存在し、かつこの未結合手が電子を放出しており、プラスに帯電したSiとして残存する。よって、Si酸化物の領域、およびSi酸化物とSiCとの界面にこのようなドナー型欠陥が存在する。特にSi酸化物とSiCとの界面により多くのドナー型欠陥が存在する。 The general operation of the two-terminal memory 100 will be described. Since the oxidation temperature of the Si oxide layer 103 is as low as 1000 ° C., the complete oxide SiO 2 and the incomplete oxide SiOx (x <2) are mixed. Since this Si oxide was formed through the process of removing SiC from SiC, Si having dangling bonds not bonded to other atoms exists as crystal defects when the temperature is low. Emits electrons and remains as positively charged Si + . Therefore, such a donor type defect exists in the Si oxide region and the interface between the Si oxide and SiC. In particular, many donor type defects exist at the interface between the Si oxide and SiC.

Si酸化物層103側がプラスとなるように電極104及び105間に電圧をかけて行くと、Si基板101の抵抗が低いために、印加した電圧は主にSi酸化物層103とSiC層102にかかる。しかし、Si酸化物層103が障壁となるために電流はほとんど流れない。つまり、メモリ装置全体として抵抗の高い状態(OFF状態)となる。   When a voltage is applied between the electrodes 104 and 105 so that the Si oxide layer 103 side is positive, the applied voltage is mainly applied to the Si oxide layer 103 and the SiC layer 102 because the resistance of the Si substrate 101 is low. Take it. However, since the Si oxide layer 103 becomes a barrier, almost no current flows. That is, the entire memory device is in a state of high resistance (OFF state).

Siのバンドギャップは1.1eV、SiCのバンドギャップは立方晶構造の場合2.3eVである。電圧をさらに増加すると、SiC層102とSi基板101とのバンドギャップ差が有るために、ある電圧を超えたところで、Si基板101からSiC層102側へ電子が注入され、Si酸化物とSiCとの界面に多く存在している、ドナー型欠陥であるSiに電子が捕獲される。このとき、Si基板101から電子が捕獲された領域まで電圧がかかりにくくなり、電子捕獲量の少ないSi酸化物に強い電界が発生し、電子がSi酸化物層103をトンネルするようになり電流が流れる。よってメモリ装置全体として抵抗が低下した状態(ON状態)となる。 The band gap of Si is 1.1 eV, and the band gap of SiC is 2.3 eV in the case of a cubic structure. When the voltage is further increased, there is a band gap difference between the SiC layer 102 and the Si substrate 101. Therefore, when a certain voltage is exceeded, electrons are injected from the Si substrate 101 to the SiC layer 102 side, and Si oxide and SiC Electrons are trapped by Si + , which is a donor-type defect, which is present at a large amount at the interface. At this time, it is difficult to apply a voltage from the Si substrate 101 to the region where the electrons are captured, a strong electric field is generated in the Si oxide having a small amount of electron capture, and electrons tunnel through the Si oxide layer 103 so that a current is generated. Flowing. Therefore, the resistance of the entire memory device is reduced (ON state).

OFF状態からON状態に遷移することは、情報“1”の書き込みに対応する。   Transition from the OFF state to the ON state corresponds to writing of information “1”.

メモリ装置がON状態にあるとき、Si酸化物層103側がマイナスとなるように電極104及び105間に電圧を印加すると、電子はドナー型欠陥のSiに確保されたままなので、電圧が主にSi酸化物にかかり、引き続き電子がSi酸化物層103をトンネルして電流が流れる。しかし、Si酸化物層103にさらにマイナスの電圧を印加すると、捕獲されていた電子が放出されSiとなり、電子はSi基板101側に戻される。よって、再び電圧がSi酸化物とSiCの双方にかかるようになる。結果的にSi酸化物の電界が弱まって、電子がSi酸化物層103をトンネルできなくなり、OFF状態となる。 When a voltage is applied between the electrodes 104 and 105 so that the Si oxide layer 103 side is negative when the memory device is in the ON state, the electrons remain secured in the donor-type defect Si + , so the voltage is mainly The Si oxide is applied, and then electrons tunnel through the Si oxide layer 103 and a current flows. However, when a more negative voltage is applied to the Si oxide layer 103, the trapped electrons are emitted and become Si + , and the electrons are returned to the Si substrate 101 side. Therefore, the voltage is applied to both Si oxide and SiC again. As a result, the electric field of the Si oxide is weakened, so that electrons cannot tunnel through the Si oxide layer 103 and are turned off.

ON状態からOFF状態に遷移することは情報の消去または情報“0”の書き込みに対応する。   Transition from the ON state to the OFF state corresponds to erasure of information or writing of information “0”.

すなわち、このメモリ動作はSi酸化物に形成されるドナー型欠陥を利用している。電子がSi酸化物、およびSi酸化物とSiCとの界面に発生するドナー型欠陥Siに捕獲されるとON状態となり、電子がドナー型欠陥から放出されるとOFF状態になる。よって、ON状態を論理値“1”の記憶、OFF状態を論理値“0”の記憶とするメモリ動作として対応させることができる。 That is, this memory operation utilizes donor type defects formed in the Si oxide. When electrons are trapped by Si-type oxide and donor-type defects Si + generated at the interface between Si oxide and SiC, they are turned on, and when electrons are emitted from donor-type defects, they are turned off. Therefore, it is possible to correspond to a memory operation in which the ON state is stored as a logical value “1” and the OFF state is stored as a logical value “0”.

Si酸化物にかける電圧をプラス側に十分大きくすればOFF状態からON状態に、逆にマイナス側に十分大きくすればON状態からOFF状態に変えることができる。また、低い電圧で電流が流れるか、流れないかを調べれば、メモリ装置の記憶値である“0(OFF状態)”か、“1(ON状態)”か、を読み取ることができる。   If the voltage applied to the Si oxide is sufficiently increased to the plus side, it can be changed from the OFF state to the ON state, and conversely if it is sufficiently increased to the minus side, the ON state can be changed to the OFF state. Further, by checking whether a current flows at a low voltage or not, it is possible to read “0 (OFF state)” or “1 (ON state)” which is a stored value of the memory device.

K.Takada、M.Fukumoto、Y.Suda、「Memory Function of a SiO2/β-SiC/Si MISDiod」Ext。Abs。1999 Intrenational Conference on Solid Stateand Materials,p.132-133(1999)K.Takada, M.Fukumoto, Y.Suda, “Memory Function of a SiO2 / β-SiC / Si MISDiod” Ext. Abs. 1999 Intrenational Conference on Solid State and Materials, p.132-133 (1999)

従来のSi酸化物/SiC/Si基板構造のメモリ装置では、SiCを1000℃で低温酸化して形成するため、Si酸化物内にはSiOの他にSiOxが多く存在する。このSi酸化物のSiOxの割合は10%を超えるため、ドナー型欠陥がSi酸化物全体に分布しており、一度電子がこれらの欠陥に捕獲されると、Si酸化物側の電圧をマイナスに十分大きくしても、電子が欠陥から放出されない現象が生じ、結果的にメモリとして動作しなくなる。メモリとして用いるためには、用途に応じてON、OFFの繰り返し動作が10回以上必要となるので、Siにおける電子の捕獲、放出が容易となる構造が必要である。 In a conventional memory device having a Si oxide / SiC / Si substrate structure, SiC is formed by low-temperature oxidation at 1000 ° C., so that a large amount of SiOx exists in addition to SiO 2 in the Si oxide. Since the SiOx ratio of this Si oxide exceeds 10%, donor-type defects are distributed throughout the Si oxide, and once electrons are trapped by these defects, the voltage on the Si oxide side becomes negative. Even if it is sufficiently large, a phenomenon occurs in which electrons are not emitted from the defect, and as a result, it does not operate as a memory. For use as memory, ON depending on the application, since the repetitive operation of the OFF is needed more than 10 4 times, electron trapping in Si +, release is necessary structure becomes easy.

一方、本発明者らは、先に、n型Si基板上にCVD法によりSiC層を積層し、1200℃の熱酸化後に、1000℃で熱酸化を行う二段階酸化によって形成する、SiO/Six/SiC/n−Si構造の2端子メモリ装置を提案した。この製造方法では、一段目の1200℃の熱酸化によりSiC層の表面にSiO層が形成され、二段目の1000℃の熱酸化によりSiO層下のSiC層表面にSiOx層が形成される。このメモリ装置は、SiO層が電子のトンネル層として、SiOx層が電子の捕獲層としてそれぞれ機能し、ON、OFFの繰り返し動作が10回以上得られている。 On the other hand, the present inventors have previously formed a SiO 2 / SiO 2 layer formed by two-stage oxidation in which a SiC layer is laminated on an n-type Si substrate by CVD and thermal oxidation at 1200 ° C. followed by thermal oxidation at 1000 ° C. A two-terminal memory device having a Six / SiC / n-Si structure has been proposed. In this manufacturing method, a SiO 2 layer is formed on the surface of the SiC layer by thermal oxidation at 1200 ° C. in the first stage, and a SiO x layer is formed on the surface of the SiC layer below the SiO 2 layer by thermal oxidation at 1000 ° C. in the second stage. The The memory device as SiO 2 layer tunnel layer of the electron, SiOx layer functions respectively as the trapping layer of the electron, ON, repeated operation of the OFF is obtained more than 10 4 times.

ところで、上記メモリ装置を動作させるには、電圧を制御して情報の書き込み、読み出し、消去を行うために、例えMOSトランジスタなどによる駆動回路を搭載した半導体集積回路として構成される。   By the way, in order to operate the memory device, it is configured as a semiconductor integrated circuit on which a drive circuit such as a MOS transistor is mounted in order to control voltage and write, read and erase information.

近年、半導体集積回路の素子構造が微細かつ複雑になるにつれて、製造プロセス温度は、益々低温化する傾向にあり、例えば、850℃〜950℃の低温で製造される。このような低温プロセスによる半導体集積回路には、上述の1200℃、1000℃の二段階熱酸化で形成さるメモリ装置を搭載することができない。   In recent years, as the element structure of a semiconductor integrated circuit becomes finer and more complicated, the manufacturing process temperature tends to be lowered more and more, for example, manufactured at a low temperature of 850 ° C. to 950 ° C. A semiconductor device formed by two-stage thermal oxidation at 1200 ° C. and 1000 ° C. cannot be mounted on a semiconductor integrated circuit using such a low temperature process.

また、二段階熱酸化でSiO層及びSiOx層を形成する場合でも、後述するように、SiOxがSiO層にも分布しているので、消去の際に完全に捕獲電子を放出させることが出来ず、捕獲電子が残る場合がある。このため、完全OFFが得られず、ON/OFF比が小さくなる懼れが生じる。 Further, even when the SiO 2 layer and the SiO x layer are formed by two-step thermal oxidation, as described later, since SiO x is distributed also in the SiO 2 layer, it is possible to completely release trapped electrons at the time of erasing. In some cases, trapped electrons may remain. For this reason, complete OFF cannot be obtained, and the ON / OFF ratio may be reduced.

本発明は、上述の点に鑑み、ON/OFF比の向上を図った半導体メモリ装置の製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、ON/OFF比の向上を図り、かつ低温プロセスでの製造を可能にした半導体メモリ装置の製造方法を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor memory device with an improved ON / OFF ratio in view of the above points.
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor memory device that can improve the ON / OFF ratio and can be manufactured by a low-temperature process.

第1の本発明に係る半導体メモリ装置の製造方法は、Si基板上に順次SiC層及びSi層を積層する工程と、1段階の所定温度による熱酸化処理で、積層したSi層をSiO層に変えると共に、SiC層の積層したSi層に接する界面近傍をSiOx層に変える工程を有し、SiO層/SiOx層/SiC層/Si基板構造を形成することを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention includes the steps of laminating sequentially SiC layer and the Si layer on a Si substrate, a thermal oxidation process by a predetermined temperature of the first stage, SiO 2 layers of stacked Si layer And an SiO 2 layer / SiO x layer / SiC layer / Si substrate structure is formed by changing the vicinity of the interface in contact with the laminated Si layer to the SiO x layer.

第2の本発明にかかる半導体メモリ装置の製造方法は、上記製造方法において、所定温度を950℃〜800℃の範囲内に設定することを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the above manufacturing method, the predetermined temperature is set in a range of 950 ° C. to 800 ° C.

第1の本発明では、Si基板上に順次SiC層及びSi層を積層し、一段階の所定温度による熱酸化処理で積層したSi層、及びSiC層の積層したSi層との界面近傍を同時に酸化処理している。このとき、積層したSi層をSiO層に変えるので、完全酸化のSiO層によるトンネル層が形成される。また、SiC層の積層したSi層に接する界面を不完全酸化のSiOx層に変えるので、SiOxの割合の多い電子捕獲層が形成される。 In the first aspect of the present invention, a SiC layer and a Si layer are sequentially laminated on a Si substrate, and the vicinity of the interface between the Si layer laminated by thermal oxidation treatment at a predetermined temperature in one step and the Si layer where the SiC layer is laminated are simultaneously formed. It is oxidized. At this time, since changing the stacked Si layer SiO 2 layer, a tunnel layer by layer of SiO 2 complete oxidation is formed. Further, since the interface in contact with the Si layer on which the SiC layer is laminated is changed to an incompletely oxidized SiOx layer, an electron trapping layer having a high SiOx ratio is formed.

第2の本発明では、上記一段階の熱酸化処理の温度を、800℃〜950℃の範囲内に設定することにより、低温プロセスでSiO層/SiOx層/SiC層/Si基板構造を形成することができる。 In the second aspect of the present invention, the SiO 2 layer / SiOx layer / SiC layer / Si substrate structure is formed by a low temperature process by setting the temperature of the one-stage thermal oxidation treatment within a range of 800 ° C. to 950 ° C. can do.

第1の本発明に係る半導体メモリ装置の製造方法によれば、完全酸化のSiO層によるトンネル層及びSiOxの割合の多き不完全酸化のSiOx層を有する、SiO層/SiOx層/SiC層/Si基板構造を形成することができる。これにより、ON/OFF比が向上した半導体メモリ装置を製造することができる。 According to the method of manufacturing a semiconductor memory device of the first aspect of the present invention, a SiO 2 layer / SiO x layer / SiC layer having a tunnel layer formed by a completely oxidized SiO 2 layer and an incompletely oxidized SiO x layer having a large proportion of SiO x / Si substrate structure can be formed. As a result, a semiconductor memory device having an improved ON / OFF ratio can be manufactured.

第2の本発明に係る半導体メモリ装置の製造方法によれば、さらに、熱酸化処理時の温度を800℃〜950℃の範囲内に設定することにより、ON/OFF比が向上し、かつ低温プロセスでの製造を可能にする。   According to the method of manufacturing a semiconductor memory device of the second aspect of the present invention, the ON / OFF ratio is improved and the temperature is lowered by setting the temperature during the thermal oxidation process within the range of 800 ° C. to 950 ° C. Enable manufacturing in process.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[実施の形態]
先ず、図1に、本発明に係る半導体メモリ装置の一実施の形態を示す。本実施の形態に係る半導体メモリ装置1は、Si基板2上に順次SiC層3、SiOx層4及びSiO層5が形成されて成る。Si基板2の裏面には、一方の電極6が形成され、SiO層5の表面には、他方の電極7が形成される。この半導体メモリ装置1は、2端子メモリであり、不揮発性抵抗変化型メモリとして構成される。
[Embodiment]
First, FIG. 1 shows an embodiment of a semiconductor memory device according to the present invention. The semiconductor memory device 1 according to the present embodiment is formed by sequentially forming a SiC layer 3, a SiOx layer 4 and a SiO 2 layer 5 on a Si substrate 2. One electrode 6 is formed on the back surface of the Si substrate 2, and the other electrode 7 is formed on the surface of the SiO 2 layer 5. The semiconductor memory device 1 is a two-terminal memory and is configured as a nonvolatile resistance change memory.

SiO層5は完全酸化の電子トンネル層として形成される。SiOx層4は一部SiOが混在する不完全酸化の電子捕獲層として形成される。SiO層5の膜厚tは2nm〜20nm、好ましくは 3nm〜15nm、例えば5nmとすることができる。膜厚tが2nmより薄いと捕獲電子が抜けてしまい、20nmを超えると電流が流れ難くなる。SiOx層4の膜厚tは、SiO層5の膜厚より薄く、1nm〜10nm、例えば3nmとすることができる。膜厚tが1nmより薄いと捕獲電子数が少なくなって、メモリ装置は十分にONしなくなり、10nmを超えると消去の際に完全に捕獲電子を放出させることが出来ず、捕獲電子が残る場合がある。 The SiO 2 layer 5 is formed as a fully oxidized electron tunnel layer. SiOx layer 4 is formed as an electron trapping layer of incomplete oxidation of some SiO 2 are mixed. The film thickness t 1 of the SiO 2 layer 5 can be 2 nm to 20 nm, preferably 3 nm to 15 nm, for example 5 nm. When the film thickness t 1 is less than 2 nm, trapped electrons are lost, and when it exceeds 20 nm, current hardly flows. Thickness t 2 of the SiOx layer 4 is thinner than the thickness of the SiO 2 layer 5 can be 1 nm to 10 nm, for example, 3 nm. And the thickness t 2 becomes less thin and trapped electron number than 1 nm, the memory device is sufficiently longer turned ON, it is not possible to release completely trapped electrons upon erasure exceeds 10 nm, it remains trapped electrons There is a case.

Si基板2は、例えば主面の面方位を(100)面として、n型不純物がドーピングされたn型Si基板で構成される。このn型Si基板は電子供給源として機能し、電子濃度の高いn型のSi基板を用いるとメモリ動作を効率的に発現できる。本発明の半導体メモリ装置をバイポーラトランジスタなどと一緒に集積化する場合は、p型のSi基板上にSiC層を形成し、かつ、このp型Si基板にn型Siを接触させる構造とすることで、このp型Si基板を介して、n型SiからSiC層側へ電子を供給するようにすることも可能である。また、Siの欠陥量はSiOx層4内、およびSiOx層4とSiC層3との界面で制御されるため、Si基板2上に形成するSiC層3自体は欠陥が少なく結晶性が高い方が良い。あるいは欠陥が少なければSiC層が多結晶構造でも良い。 The Si substrate 2 is formed of an n-type Si substrate doped with an n-type impurity, for example, with the plane orientation of the main surface being the (100) plane. This n-type Si substrate functions as an electron supply source. When an n-type Si substrate having a high electron concentration is used, memory operation can be efficiently expressed. When the semiconductor memory device of the present invention is integrated together with a bipolar transistor or the like, a SiC layer is formed on a p-type Si substrate, and n-type Si is brought into contact with the p-type Si substrate. Thus, it is possible to supply electrons from the n-type Si to the SiC layer side through the p-type Si substrate. Further, since the amount of Si + defects is controlled in the SiOx layer 4 and at the interface between the SiOx layer 4 and the SiC layer 3, the SiC layer 3 itself formed on the Si substrate 2 has fewer defects and higher crystallinity. Is good. Alternatively, if there are few defects, the SiC layer may have a polycrystalline structure.

Si基板2の面方位が(100)面であると、本メモリを半導体集積回路へ組み入れる場合に適する。通常、MOSトランジスタなどを有する半導体集積回路では、半導体基板として主面の面方位が(100)面の基板を用いるので、メモリ装置1のSi基板2としては、主面が同じ(100)面である基板を用いるのが好ましい。(100)面の基板を用いた場合、良好なメモリ特性が得られる程度に、結晶性の高いSiC層3が成膜できる。   When the plane orientation of the Si substrate 2 is the (100) plane, this memory is suitable for incorporation into a semiconductor integrated circuit. Usually, in a semiconductor integrated circuit having a MOS transistor or the like, a substrate having a (100) plane orientation of the main surface is used as the semiconductor substrate. Therefore, the Si substrate 2 of the memory device 1 has the same (100) plane. It is preferable to use a certain substrate. When a (100) plane substrate is used, the SiC layer 3 having high crystallinity can be formed to such an extent that good memory characteristics can be obtained.

Si基板2としては、主面が他の面方位である基板を用いることも可能である。例えば、主面が(111)面のSi基板を用いることもでき、(111)面であると、より結晶性の高いSiC層3が成膜できる。   As the Si substrate 2, it is also possible to use a substrate whose main surface has another plane orientation. For example, a Si substrate having a (111) plane as the main surface can be used, and if it is the (111) plane, the SiC layer 3 having higher crystallinity can be formed.

電極6,7は金属膜で形成することができる。SiO層5の表面の電極7は、仕事関数の大きい金属、例えばNi、Pt、Auなどが好ましく、本例ではAuにより形成される。Si基板2の裏面の電極6は、Siとオーミックコンタクトが得られる導電体であれば、どのような金属でもよく、本例ではAlにより形成される。 The electrodes 6 and 7 can be formed of a metal film. The electrode 7 on the surface of the SiO 2 layer 5 is preferably made of a metal having a high work function, such as Ni, Pt, or Au, and is formed of Au in this example. The electrode 6 on the back surface of the Si substrate 2 may be any metal as long as it is a conductor capable of obtaining ohmic contact with Si, and is formed of Al in this example.

[動作原理の説明]
図2及び図3のエネルギーバンド図を参照して、本実施の形態に係る半導体メモリ装置1の動作原理を説明する。先ず、図2Aは、両電極6及び7間に電圧を印加しない状態であり、メモリ装置1として、OFF状態である。すなわち、この状態では、SiOx層4、及びSiOx層4とSiC層3との界面に捕獲準位(ドナー型欠陥)10が存在する。捕獲準位10は、模式的に四角領域で図示する。
[Description of operating principle]
The operation principle of the semiconductor memory device 1 according to the present embodiment will be described with reference to the energy band diagrams of FIGS. First, FIG. 2A shows a state in which no voltage is applied between the electrodes 6 and 7, and the memory device 1 is in an OFF state. That is, in this state, the trap level (donor type defect) 10 exists at the SiOx layer 4 and the interface between the SiOx layer 4 and the SiC layer 3. The trap level 10 is schematically illustrated as a square region.

次に、図2Bに示すように、SiO層5の表面の電極7側がプラスとなるように、両電極6及び7間に正電圧をかけて行くと、Si基板2の抵抗が低いため、印加した電圧は、主にSiO層5及びSiOx層4を含むSi酸化物層と、SiC層3にかかる。しかし、Si酸化物層(4,5)に加わる電圧が不十分で、Si酸化物層(4,5)が障壁となり電流はほとんど流れない。メモリ装置1全体としては、高抵抗状態となり、OFF状態となる。 Next, as shown in FIG. 2B, when a positive voltage is applied between the electrodes 6 and 7 so that the electrode 7 side on the surface of the SiO 2 layer 5 is positive, the resistance of the Si substrate 2 is low. The applied voltage is mainly applied to the Si oxide layer including the SiO 2 layer 5 and the SiOx layer 4 and the SiC layer 3. However, the voltage applied to the Si oxide layer (4, 5) is insufficient, and the Si oxide layer (4, 5) acts as a barrier so that almost no current flows. The memory device 1 as a whole is in a high resistance state and in an OFF state.

次に、図2Cに示すように、さらに正電圧を増加すると、SiC層3とSi基板2とに前述したようなバンドギャップ差があるため、ある電圧を超えたところで、Si基板2からの電子eがSiC層3とSiOx層4との界面、およびSiOx層4内の捕獲準位10に捕獲される。これにより、SiC層3のエネルギーバンドがフラットになり(完全なフラットではないが、フラットに近い)、SiC層3にあまり電圧がかからない。その分、電子捕獲のない完全酸化のSiO層5に多くの電圧がかかる。このため、SiO層5に強い電界が発生し、電子eがSiO層5をトンネルする確率が増加し電流が流れる。これによって、メモリ装置1全体が低抵抗状態となり、ON状態となる。
OFF状態からON状態に遷移することは情報“1”の書き込みに対応する。
Next, as shown in FIG. 2C, when the positive voltage is further increased, there is a band gap difference between the SiC layer 3 and the Si substrate 2 as described above. e is trapped at the interface between the SiC layer 3 and the SiOx layer 4 and the trap level 10 in the SiOx layer 4. Thereby, the energy band of SiC layer 3 becomes flat (not completely flat but close to flat), and voltage is not applied to SiC layer 3 very much. Accordingly, much voltage is applied to the fully oxidized SiO 2 layer 5 without electron capture. Therefore, a strong electric field is generated in the SiO 2 layer 5, electrons e flow current increases the probability of tunneling of the SiO 2 layer 5. As a result, the entire memory device 1 is brought into a low resistance state and turned on.
Transition from the OFF state to the ON state corresponds to writing of information “1”.

次に、図3Dに示すように、メモリ装置1がON状態にあるとき、SiO層5の表面の電極7側がマイナスとなるように両電極6及び7間に負電圧を印加する。このとき、電子eは捕獲準位10に捕獲されたままなので、電圧が主にSiO層5にかかり引き続き電流が流れる。ON状態にある。 Next, as shown in FIG. 3D, when the memory device 1 is in the ON state, a negative voltage is applied between the electrodes 6 and 7 so that the electrode 7 side on the surface of the SiO 2 layer 5 is negative. At this time, since the electrons e remain trapped in the trap level 10, the voltage is applied mainly to the SiO 2 layer 5 and current continues to flow. It is in the ON state.

しかし、図3Eに示すように、さらに負電圧を増加すると、捕獲されていた電子eが放出され、電子eがSi基板2側へ戻される。再び、電圧がSiC層3とSiO層5の双方に分配印加される。結果的に、SiO層5の電界が弱まって、電子eがSiO層5をトンネルできなくなり、つまりトンネル確率が減少し、電流がほとんど流れなくなる。メモリ装置1全体は高抵抗状態となり、OFF状態となる。
ON状態からOFF状態に遷移することは、情報の消去または情報“0”の書き込みに対応する。
However, as shown in FIG. 3E, when the negative voltage is further increased, the trapped electrons e are emitted, and the electrons e are returned to the Si substrate 2 side. Again, a voltage is distributed and applied to both SiC layer 3 and SiO 2 layer 5. As a result, the electric field of the SiO 2 layer 5 is weakened, and the electrons e cannot tunnel through the SiO 2 layer 5, that is, the tunnel probability is reduced, and almost no current flows. The entire memory device 1 is in a high resistance state and is in an OFF state.
Transition from the ON state to the OFF state corresponds to erasure of information or writing of information “0”.

[実施の形態の製造方法]
図4を用いて、半導体メモリ装置1の製造方法の一実施の形態を説明する。
先ず、図4Aに示すように、例えば、主面の面方位が(100)面であり、n型不純物をドーピングしたn型のSi基板2を用意する。本例のn型Si基板2は、比抵抗が0.01Ω−cmのSi基板である。
[Manufacturing Method of Embodiment]
An embodiment of a method for manufacturing the semiconductor memory device 1 will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 4A, for example, an n-type Si substrate 2 having a (100) plane orientation of the main surface and doped with an n-type impurity is prepared. The n-type Si substrate 2 of this example is a Si substrate having a specific resistance of 0.01 Ω-cm.

次に、図4Bに示すように、n型のSi基板2上に、CVD(化学気相成長)法やスパッタ法によりSiC層3を形成する。SiC層3は、結晶構造として例えば立方晶系の対称性を持つSiC(3C−SiC)である。六方対称の4H−SiC、6H−SiCでも良い。また、欠陥の少ない、たとえば未結合手を水素で終端した多結晶や非晶質でも良い。SiC層3は、不純物をドーピングしたものでも、していないものでもどちらでも良い。本例では不純物をドーピングしていない真性(i型)SiC層としている。n型のSi基板2上にp型にドーピングしたSiC層3を成膜しても良い。Si基板2とSiC層3間にヘテロ接合が形成される。   Next, as shown in FIG. 4B, the SiC layer 3 is formed on the n-type Si substrate 2 by a CVD (chemical vapor deposition) method or a sputtering method. The SiC layer 3 is, for example, SiC (3C—SiC) having a cubic symmetry as a crystal structure. Hexagonally symmetric 4H—SiC or 6H—SiC may be used. Further, it may be polycrystalline or amorphous with few defects, for example, dangling bonds terminated with hydrogen. The SiC layer 3 may be either doped or not doped with impurities. In this example, an intrinsic (i-type) SiC layer not doped with impurities is used. The p-type doped SiC layer 3 may be formed on the n-type Si substrate 2. A heterojunction is formed between the Si substrate 2 and the SiC layer 3.

次に、図4Cに示すように、SiC層3上に単結晶成長法を用いてSi層11を成膜する。例えば、GS−MBE(ガスソース分子線エピタキシー)法やCVD(化学気相成長)法やスパッタ法によりSi層11を成長する。Si層11は、単結晶層であることが望ましい。但し、Si層11の結晶状態は、下地のSiC層3の結晶性に影響されるため、SiC層3の結晶性によっては単結晶でない場合もある。Si層11の膜厚t3としては、1nm〜10nm、好ましくは1.5nm〜7.5nmの範囲内とすることができ、本例では2.5nmとする。   Next, as shown in FIG. 4C, a Si layer 11 is formed on the SiC layer 3 by using a single crystal growth method. For example, the Si layer 11 is grown by GS-MBE (gas source molecular beam epitaxy) method, CVD (chemical vapor deposition) method or sputtering method. The Si layer 11 is preferably a single crystal layer. However, since the crystal state of the Si layer 11 is influenced by the crystallinity of the underlying SiC layer 3, it may not be a single crystal depending on the crystallinity of the SiC layer 3. The film thickness t3 of the Si layer 11 can be in the range of 1 nm to 10 nm, preferably 1.5 nm to 7.5 nm, and is 2.5 nm in this example.

次に、図4Dに示すように、一段階の低温の熱酸化処理を施し、Si層11を完全酸化のSiO層5に変えると共に、SiC層3のSi層11との界面を不完全酸化のSiOx層4に変える。熱酸化処理は、ドライ酸化処理を用いる。また、熱酸化処理は、酸素100%の大気圧中(1気圧中)で行う。ここでの低温とは、半導体集積回路に、本実施の形態のメモリ装置と共に他の半導体素子、例えばMOSトランジスタを搭載したときに、その半導体素子、例えばMOSトランジスタに熱的影響を与えない程度の温度である。この一段階の熱酸化処理の温度は、800℃〜950℃とするのが好ましい。850℃より低温であると、酸化時間がかかり過ぎるので、熱酸化温度としては、実用化を考慮すると、850℃〜950℃の範囲がより好ましい。 Next, as shown in FIG. 4D, a one-step low-temperature thermal oxidation treatment is performed to change the Si layer 11 into a fully oxidized SiO 2 layer 5 and the interface between the SiC layer 3 and the Si layer 11 is incompletely oxidized. The SiOx layer 4 is changed. As the thermal oxidation treatment, dry oxidation treatment is used. Further, the thermal oxidation treatment is performed in an atmospheric pressure (1 atm) with 100% oxygen. The term “low temperature” as used herein means that when a semiconductor device, for example, a MOS transistor is mounted together with the memory device of the present embodiment, the semiconductor element, for example, the MOS transistor is not thermally affected. Temperature. The temperature of this one-stage thermal oxidation treatment is preferably 800 ° C. to 950 ° C. When the temperature is lower than 850 ° C., it takes too much oxidation time. Therefore, the thermal oxidation temperature is more preferably in the range of 850 ° C. to 950 ° C. in consideration of practical use.

Si層11を熱酸化して形成されるSiO層5は、Si層11の膜厚のほぼ2倍の膜厚となることから、SiO層5の膜厚tは2nm〜20nm、好ましくは3nm〜 15nmの範囲内とすることができ、本例では5nmとしている。また、SiOx層4の膜厚tとしては、1nm〜10nmの範囲内とすることができ、本例では3nmとしている。 Since the SiO 2 layer 5 formed by thermally oxidizing the Si layer 11 has a film thickness approximately twice that of the Si layer 11, the thickness t 1 of the SiO 2 layer 5 is preferably 2 nm to 20 nm. Can be in the range of 3 nm to 15 nm, and is 5 nm in this example. As the thickness t 2 of the SiOx layer 4 can be within the range of 1 nm to 10 nm, in this example is set to 3 nm.

ここで、一段階の熱酸化処理により、例えば、5nmのSiO層5を形成すると共に、3nmのSiOx層4を形成する際の、熱酸化温度と熱酸化時間との関係を示す。950℃では22分程度。900℃では48分程度。850℃では1時間49分程度。800℃では4時間43分程度。 Here, the relationship between the thermal oxidation temperature and the thermal oxidation time when forming the SiO 2 layer 5 of 5 nm and forming the SiO x layer 4 of 3 nm, for example, by one-step thermal oxidation treatment is shown. About 22 minutes at 950 ° C. About 48 minutes at 900 ° C. It takes about 1 hour 49 minutes at 850 ° C. It takes about 4 hours and 43 minutes at 800 ° C.

次に、図4Eに示すように、SiO層5の表面に例えばAuの電極7を形成し、Si基板の裏面に例えばAlの電極6を形成して、目的の半導体メモリ装置1を得る。 Next, as shown in FIG. 4E, for example, an Au electrode 7 is formed on the surface of the SiO 2 layer 5 and an Al electrode 6 is formed on the back surface of the Si substrate to obtain the target semiconductor memory device 1.

[本メモリ装置搭載の半導体集積デバイスの例]
図13に本メモリ装置と他のトランジスタを一体集積化した半導体集積デバイスの例を示す。本実施の形態に係る半導体集積デバイス21は、シリコン基板として、たとえばp型のシリコン半導体基板22を用いる。基板22に不純物ドーピングによってn型半導体ウェル領域23を形成する。さらに不純物を高濃度にドープしたp型半導体ウェル領域24、およびn型半導体ウェル領域25を形成する。また、素子分離領域41を形成する。素子分離領域としては、例えば埋め込み絶縁膜で形成することができる。
[Example of semiconductor integrated device with this memory device]
FIG. 13 shows an example of a semiconductor integrated device in which this memory device and other transistors are integrated. In the semiconductor integrated device 21 according to the present embodiment, for example, a p-type silicon semiconductor substrate 22 is used as a silicon substrate. An n-type semiconductor well region 23 is formed on the substrate 22 by impurity doping. Further, a p + type semiconductor well region 24 and an n + type semiconductor well region 25 doped with impurities at a high concentration are formed. Further, the element isolation region 41 is formed. The element isolation region can be formed of a buried insulating film, for example.

n型半導体ウェル領域23、p型半導体ウェル領域24、n型半導体ウェル領域25でバイポーラトランジスタ26が構成される。それぞれの半導体ウェル領域23、24、25がコレクタ、ベース、エミッタとして機能する。 The n-type semiconductor well region 23, the p + -type semiconductor well region 24, and the n + -type semiconductor well region 25 constitute a bipolar transistor 26. Each semiconductor well region 23, 24, 25 functions as a collector, a base, and an emitter.

一方、pチャネルMOSトランジスタ27も構成される。n半導体ウェル領域23がチャネル層、p型半導体ウェル領域24がソース領域29およびドレイン領域30として機能する。 On the other hand, a p-channel MOS transistor 27 is also configured. The n semiconductor well region 23 functions as a channel layer, and the p + type semiconductor well region 24 functions as a source region 29 and a drain region 30.

ゲート絶縁膜31を形成してパターニングした後、ゲート絶縁膜31に窓が開けられる。他の領域において、窓に臨むp型半導体ウェル領域24上に、CVD法によって選択的にSiC層3およびSi層が成膜される。このときの成膜温度は850℃である。 After forming and patterning the gate insulating film 31, a window is opened in the gate insulating film 31. In other regions, the SiC layer 3 and the Si layer are selectively formed on the p + type semiconductor well region 24 facing the window by the CVD method. The film forming temperature at this time is 850 ° C.

次いで、800℃〜950℃の低温で一段階熱酸化処理して、積層したSi層をSiO層5に変え、SiC層3のSi層との界面領域をSiOx層4に変える。次いで、層間絶縁膜32を用いて、メモリ装置1のSiO層5上、バイポーラトランジスタ26のエミッタとなるn型半導体ウェル領域25、MOSトランジスタ27のソース領域29、ドレイン領域30に、それぞれ電極を形成する。すなわち、メモリ装置1のSiO層5に電極33を形成する。エミッタ領域25にエミッタ電極34を形成する。ソース領域29にソース電極36、ドレイン領域30にドレイン電極37、ゲート絶縁膜31にゲート電極38を形成する。また、ベース領域となるp型半導体ウェル領域24にベース電極35を形成する。 Next, one-step thermal oxidation treatment is performed at a low temperature of 800 ° C. to 950 ° C. to change the stacked Si layer to the SiO 2 layer 5 and change the interface region between the SiC layer 3 and the Si layer to the SiO x layer 4. Next, using the interlayer insulating film 32, electrodes are formed on the SiO 2 layer 5 of the memory device 1, the n + type semiconductor well region 25 serving as the emitter of the bipolar transistor 26, the source region 29 and the drain region 30 of the MOS transistor 27, respectively. Form. That is, the electrode 33 is formed on the SiO 2 layer 5 of the memory device 1. An emitter electrode 34 is formed in the emitter region 25. A source electrode 36 is formed in the source region 29, a drain electrode 37 is formed in the drain region 30, and a gate electrode 38 is formed in the gate insulating film 31. In addition, a base electrode 35 is formed in the p + type semiconductor well region 24 serving as a base region.

さらに、図示しないが、層間絶縁層32の上部に多層配線構造を形成して、これらの素子(メモリ装置1、バイポーラトランジスタ26、pチャネルMOSトランジスタ27)を結線する。本メモリ装置1は、バイポーラトランジスタ26のベースとなるp型半導体ウェル領域24に接続される。本メモリ装置1では、そのSiO層5側に電極33を介してプラスの電圧を印加して、データを書き込む時には、ベースとなるp型半導体ウェル領域24を介してエミッタ領域25から電子が供給される。 Further, although not shown, a multilayer wiring structure is formed on the interlayer insulating layer 32, and these elements (memory device 1, bipolar transistor 26, p-channel MOS transistor 27) are connected. The memory device 1 is connected to a p + type semiconductor well region 24 that serves as a base of the bipolar transistor 26. In this memory device 1, when a positive voltage is applied to the SiO 2 layer 5 side via the electrode 33 to write data, electrons are emitted from the emitter region 25 via the p + type semiconductor well region 24 serving as a base. Supplied.

この例と異なり集積回路の構成によっては本実施の形態のメモリ装置1のSiC層3がn型半導体ウェル領域23上に形成される場合もある。このようにして、本実施の形態のメモリ装置1とバイポーラトランジスタ26やMOSトランジスタ27を集積した半導体集積デバイス21を製造する。   Unlike this example, depending on the configuration of the integrated circuit, the SiC layer 3 of the memory device 1 of the present embodiment may be formed on the n-type semiconductor well region 23. In this manner, the semiconductor integrated device 21 in which the memory device 1 of the present embodiment and the bipolar transistor 26 and the MOS transistor 27 are integrated is manufactured.

次に、本実施の形態に係る一段階熱酸化で得られた半導体メモリ装置と、比較例の二段階熱酸化で得られた半導体メモリ装置とを比較して、本実施の形態の優位性を説明する。   Next, the semiconductor memory device obtained by the one-step thermal oxidation according to this embodiment is compared with the semiconductor memory device obtained by the two-step thermal oxidation of the comparative example, and the superiority of this embodiment is shown. explain.

[比較例]
図9〜図12に、二段階熱酸化の比較例を示す。図9の模式図に示すように、n型Si基板22上にSiC層23を形成する(同図A)。次いで、SiC層23に対して1200℃の熱酸化後に、1000℃で熱酸化を行う二段階熱酸化を行う。すなわち、1200℃による一段階熱酸化でSiC層23の表面にSiO層25を形成し、1000℃による二段階熱酸化でSiC層23のSiO層25との界面にSiOx層24を形成する(同図B)。図11に、1000℃熱酸化における基板深さ方向の組成分布を示し、図12に、1200℃熱酸化における基板深さ方向の組成分布を示す。この図11及び図12の組成分布に基き、SiC層23を二段階熱酸化した場合の酸化物SiO、SiOxの構成の割合を模式的に図10A〜Cに示す。最終的に図10Cに示すように、SiO層25も完全酸化でなく、多少SiOxが混在する。また、SiOx層24においても、SiOの割合が多くSiOxの割合が少ない。
[Comparative example]
9 to 12 show comparative examples of two-stage thermal oxidation. As shown in the schematic diagram of FIG. 9, an SiC layer 23 is formed on an n-type Si substrate 22 (A in FIG. 9). Next, two-stage thermal oxidation is performed on the SiC layer 23 after thermal oxidation at 1200 ° C. and thermal oxidation at 1000 ° C. That is, the SiO 2 layer 25 is formed on the surface of the SiC layer 23 by one-step thermal oxidation at 1200 ° C., and the SiOx layer 24 is formed at the interface between the SiC layer 23 and the SiO 2 layer 25 by two-step thermal oxidation at 1000 ° C. (Fig. B). FIG. 11 shows a composition distribution in the substrate depth direction in 1000 ° C. thermal oxidation, and FIG. 12 shows a composition distribution in the substrate depth direction in 1200 ° C. thermal oxidation. Based on the composition distributions of FIGS. 11 and 12, the proportions of the structures of the oxides SiO 2 and SiOx when the SiC layer 23 is thermally oxidized in two stages are schematically shown in FIGS. Finally, as shown in FIG. 10C, the SiO 2 layer 25 is not completely oxidized, and some SiOx is mixed. Also in SiOx layer 24, a small proportion of the proportion of SiO 2 is much SiOx.

[本実施の形態]
図5〜図7に、一段階熱酸化の実施の形態を示す。図5の模式図に示すように、n型Si基板2上にSiC層3及びSi層11を積層する(同図A)。次いで、Si層11及びSiC層3に対して一段階熱処理を行う。本例では950℃による一段階熱酸化でSi層11を完全酸化してSiO層5を形成し、SiC層3を不完全酸化してSiOx層4を形成する。そして、SiO層の表面にAu電極7を形勢し、n型Si基板2の裏面にAl電極6を形成する(同図B)。この一段階熱酸化した場合の酸化物SiO、SiOxの構成の割合を模式的に図6A,B に示す。最終的に図6Bに示すように、SiO層5のSiOの割合が増加し、ほぼ完全なSiO層が得られる。SiC層3の界面領域(SiOx層4に相当する)でのSiOxの割合が増加している。SiOx層4における捕獲欠陥密度の増加が認められる。また、SiO層5における欠陥は、SiC層を酸化して形成したSiO2層における欠陥より、減少する。SiO層5はSi層11を熱酸化して形成されるので、堆積したSiOと比べて膜質が緻密で良質である。
[This embodiment]
5 to 7 show an embodiment of one-stage thermal oxidation. As shown in the schematic diagram of FIG. 5, the SiC layer 3 and the Si layer 11 are laminated on the n-type Si substrate 2 (A in FIG. 5). Next, one-step heat treatment is performed on the Si layer 11 and the SiC layer 3. In this example, the Si layer 11 is completely oxidized by one-step thermal oxidation at 950 ° C. to form the SiO 2 layer 5, and the SiC layer 3 is incompletely oxidized to form the SiO x layer 4. Then, an Au electrode 7 is formed on the surface of the SiO 2 layer, and an Al electrode 6 is formed on the back surface of the n-type Si substrate 2 (FIG. B). FIGS. 6A and 6B schematically show the composition ratios of the oxides SiO 2 and SiOx when this one-step thermal oxidation is performed. Finally, as shown in FIG. 6B, the proportion of SiO 2 in the SiO 2 layer 5 increases, and a nearly complete SiO 2 layer is obtained. The ratio of SiOx in the interface region (corresponding to the SiOx layer 4) of the SiC layer 3 is increased. An increase in the capture defect density in the SiOx layer 4 is observed. Further, defects in the SiO 2 layer 5 are reduced more than defects in the SiO 2 layer formed by oxidizing the SiC layer. Since the SiO 2 layer 5 is formed by thermally oxidizing the Si layer 11, the film quality is dense and high quality compared to the deposited SiO 2 .

図7の実線(a)に、Si/SiC/0.01Ω−cmのn-Si(100)面の基板構造を用いて、950℃、30分の一段階段熱酸化で製造した本実施の形態のメモリ装置1のI−V特性を示す。
図7の破線(b)に、Si/SiC/0.01Ω−cmのn-Si(100)面の基板構造を用いて、850℃、120分の一段階段熱酸化で製造した本実施の形態のメモリ装置1のI−V特性を示す。
メモリ特性であるヒステリシスがI−V特性に現れ、良好な特性を示している。
The solid line (a) in FIG. 7 uses the substrate structure of the Si / SiC / 0.01 Ω-cm n-Si (100) plane, and this embodiment is manufactured by one-step thermal oxidation at 950 ° C. for 30 minutes. The IV characteristic of the memory device 1 is shown.
This embodiment manufactured by one-step thermal oxidation at 850 ° C. for 120 minutes using the substrate structure of the Si / SiC / 0.01Ω-cm n-Si (100) surface in the broken line (b) of FIG. The IV characteristic of the memory device 1 is shown.
Hysteresis, which is a memory characteristic, appears in the I-V characteristic and shows good characteristics.

図8に、本実施の形態のメモリ装置1と比較例のメモリ装置を比較した、消去・書き込み回数とON/OFF電流比との関係を示す。線aはSi/SiCを950℃で一段階熱酸化した本実施の形態のメモリ装置の特性である。線bはSiCを1200℃及び1000℃で二段階熱酸化した比較例のメモリ装置の特性である。線cはSiCを1000℃で一段階熱酸化した比較例のメモリ装置の特性である。   FIG. 8 shows the relationship between the number of erase / write operations and the ON / OFF current ratio when the memory device 1 of the present embodiment and the memory device of the comparative example are compared. Line a is a characteristic of the memory device of this embodiment in which Si / SiC is thermally oxidized at 950 ° C. in one step. Line b is a characteristic of the memory device of the comparative example in which SiC is thermally oxidized in two stages at 1200 ° C. and 1000 ° C. Line c is the characteristic of the memory device of the comparative example in which SiC is thermally oxidized at 1000 ° C. in one step.

図8より明らかなように、本実施の形態のSi/SiCを950℃で一段階熱酸化して得られたメモリ装置(線a)は、SiCを二段階熱酸化して得られたメモリ装置(線b)より、ON/OFF比が向上し、10以上の書き換え回数が得られる。これは、SiO層5の膜質が向上し、電子のトンネル層と電子捕獲層が効果的に分離され、捕獲された電子が抜け易くなり、繰り返し特性が向上すると、考えられる。比較例(線c)ではON/OFF比が低下し、書き換え回数も10程度以下と少ない。 As apparent from FIG. 8, the memory device (line a) obtained by thermally oxidizing Si / SiC in this embodiment at 950 ° C. in one step is a memory device obtained by thermally oxidizing SiC in two steps. from (line b), improved ON / OFF ratio, 10 4 or more rewriting count is obtained. This is presumably because the film quality of the SiO 2 layer 5 is improved, the electron tunnel layer and the electron capture layer are effectively separated, the captured electrons are easily removed, and the repetition characteristics are improved. In the comparative example (line c), the ON / OFF ratio decreases and the number of rewrites is as low as about 10 3 or less.

上述した本実施の形態の製造方法によれば、Si/SiCを1段階の低温熱酸化処理でSiO層/SiOx層/SiC層/Si基板構造を形成することができる。そして、完全酸化のSiO2層が形成され、SiOxの割合が多い不完全酸化のSiOx層が形成されるので、二段階熱酸化を行う製法より、ON/OFF比が向上し、実用可能な書き換え回数が得られる2端子型の半導体メモリ装置を製造することができる。また、このような半導体メモリ装置を低温熱酸化で製造することができるので、メモリ駆動回路を構成する例えば低温プロセスで形成されるMOSトランジスタとの集積化が可能になる。従って、この種の半導体メモリ装置を組み込んだ低温プロセスの半導体集積デバイスを製造することができる。 According to the manufacturing method of the present embodiment described above, it is possible to form a SiO 2 layer / SiO x layer / SiC layer / Si substrate structure by one-step low-temperature thermal oxidation treatment of Si / SiC. Then, a completely oxidized SiO2 layer is formed, and an incompletely oxidized SiOx layer having a large proportion of SiOx is formed. Therefore, the ON / OFF ratio is improved and the number of practical rewrites is improved compared to the manufacturing method in which two-step thermal oxidation is performed. A two-terminal semiconductor memory device can be manufactured. In addition, since such a semiconductor memory device can be manufactured by low-temperature thermal oxidation, integration with, for example, a MOS transistor formed by a low-temperature process that constitutes a memory drive circuit becomes possible. Therefore, a low-temperature process semiconductor integrated device incorporating this type of semiconductor memory device can be manufactured.

また、本実施の形態においては、熱酸化を行う場合、ドライ酸化で行う方がウエット酸化より緻密で質の高い酸化が得られ、SiO層5の膜質が向上するので好ましい。さらに、大気圧の100%の酸素中で行うと、減圧下で酸化するより酸化速度が速くかつ緻密な高い酸化膜が得られる。 In the present embodiment, when performing thermal oxidation, dry oxidation is preferable because finer and higher quality oxidation can be obtained than wet oxidation and the film quality of the SiO 2 layer 5 is improved. Furthermore, when performed in 100% oxygen at atmospheric pressure, a dense oxide film having a higher oxidation rate than oxidation under reduced pressure can be obtained.

本発明に係る半導体メモリ装置の一実施の形態を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing an embodiment of a semiconductor memory device according to the present invention. (a)〜(c) 本発明に係る半導体メモリ装置の動作原理を示すエネルギーバンド図(その1)である。(A)-(c) It is an energy band figure (the 1) which shows the operation | movement principle of the semiconductor memory device based on this invention. (d)〜(e) 本発明に係る半導体メモリ装置の動作原理を示すエネルギーバンド図(その2)である。(D)-(e) It is an energy band figure (the 2) which shows the operation | movement principle of the semiconductor memory device based on this invention. A〜E 本発明に係る半導体メモリ装置の製造方法の一実施の形態を示す製造工程図である。A to E are manufacturing process diagrams showing an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention. A〜B 本実施の形態の製法で得られたメモリ装置の模式図である。A to B are schematic views of a memory device obtained by the manufacturing method of the present embodiment. A〜B 本実施の形態の構成の割合を示す工程順の模式図である。It is a schematic diagram of the order of the process which shows the ratio of the structure of AB. 本実施の形態に係る半導体メモリ装置のI−V特性図である。It is an IV characteristic view of the semiconductor memory device according to the present embodiment. 本実施の形態に係る半導体メモリ装置と比較例に係る半導体メモリ装置とを比較した、ON/OFF電流比と消去・書き込み回数の関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the ON / OFF current ratio and the number of erase / write operations, comparing the semiconductor memory device according to the present embodiment and the semiconductor memory device according to the comparative example. A〜B 比較例の製造方法で得られたメモリ装置の模式図である。It is a schematic diagram of the memory device obtained by the manufacturing method of AB comparative example. A〜C 二段階熱酸化による比較例の構成の割合を示す工程順の模式図である。It is a schematic diagram of the order of the process which shows the ratio of the structure of the comparative example by AC two-step thermal oxidation. SiC層を1000℃で熱酸化したときの、深さ方向の組成分布を示す組成分布図である。It is a composition distribution map which shows the composition distribution of the depth direction when a SiC layer is thermally oxidized at 1000 degreeC. SiC層を1200℃で熱酸化したときの、深さ方向の組成分布を示す組成分布図である。It is a composition distribution map which shows the composition distribution of the depth direction when a SiC layer is thermally oxidized at 1200 degreeC. 本発明に係る半導体メモリ装置を搭載した半導体集積デバイスの実施の形態を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a semiconductor integrated device on which a semiconductor memory device according to the present invention is mounted. 従来の不揮発性抵抗変化型メモリの例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the example of the conventional non-volatile resistance change memory.

符号の説明Explanation of symbols

1・・半導体メモリ装置、2・・n型Si基板、3・・SiC層、4・・SiOx層、5・・SiO層、6,7・・電極、11・・Si層 1 .. Semiconductor memory device, 2 .. n-type Si substrate, 3 .. SiC layer, 4 .. SiOx layer, 5 .. SiO 2 layer, 6, 7.

Claims (6)

Si基板上に順次SiC層及びSi層を積層する工程と、
1段階の所定温度による熱酸化処理で、前記積層したSi層をSiO層に変えると共に、前記SiC層の前記積層したSi層に接する界面近傍をSiOx層に変える工程を有し、
SiO2層/SiOx層/SiC層/Si基板構造を形成する
ことを特徴とする半導体メモリ装置の製造方法。
Sequentially stacking a SiC layer and a Si layer on a Si substrate;
The step of changing the laminated Si layer to a SiO 2 layer and changing the vicinity of the interface of the SiC layer in contact with the laminated Si layer to a SiOx layer by thermal oxidation treatment at a predetermined temperature in one step,
A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising: forming a SiO 2 layer / SiO x layer / SiC layer / Si substrate structure.
前記所定温度を950℃〜800℃の範囲内に設定する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the predetermined temperature is set within a range of 950 ° C. to 800 ° C.
前記熱酸化処理としてドライ酸化処理を用いる
ことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体メモリ装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein a dry oxidation process is used as the thermal oxidation process.
前記酸化処理を、酸素100%の大気圧中で行う
ことを特徴とする請求項1,2又は3記載の半導体メモリ装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the oxidation treatment is performed in an atmospheric pressure of 100% oxygen.
前記SiC層を成膜する下地のSi基板がn型である
ことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein an underlying Si substrate on which the SiC layer is formed is n-type.
前記SiC層を成膜する下地のSi基板がp型であり、かつ、このp型Si基板がn型に接触している
ことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置の製造方法。
2. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the underlying Si substrate on which the SiC layer is formed is p-type, and the p-type Si substrate is in contact with the n-type.
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