JPH0927561A - 化合物半導体メモリ - Google Patents
化合物半導体メモリInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
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Abstract
(57)【要約】
【課題】素子面積が小さく、低電圧動作が可能で、かつ
動作の安定性および高信頼性を確保した化合物半導体メ
モリを提供する。 【解決手段】n型GaAsチャネル層13の上に、Al
0.25Ga0.75Asバリア層14、n型InGaAs浮遊
ゲート層15、Al0.5Ga0.5Asバリア層16を設
け、ゲート電極17をバリア層16上に、ソース電極2
0とドレイン電極19をチャネル層13上に形成する。
ポテンシャルバリアが小さく、かつ浮遊ゲート層15の
上方のポテンシャルバリアの高さを下方に対して高くし
ているため、安定かつ低電圧動作が可能な高密度のメモ
リセルが形成できる。
動作の安定性および高信頼性を確保した化合物半導体メ
モリを提供する。 【解決手段】n型GaAsチャネル層13の上に、Al
0.25Ga0.75Asバリア層14、n型InGaAs浮遊
ゲート層15、Al0.5Ga0.5Asバリア層16を設
け、ゲート電極17をバリア層16上に、ソース電極2
0とドレイン電極19をチャネル層13上に形成する。
ポテンシャルバリアが小さく、かつ浮遊ゲート層15の
上方のポテンシャルバリアの高さを下方に対して高くし
ているため、安定かつ低電圧動作が可能な高密度のメモ
リセルが形成できる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体メモリ
に関し、特に書き込み、読み出し、消去が可能な微細不
揮発性メモリの構造に関する。
に関し、特に書き込み、読み出し、消去が可能な微細不
揮発性メモリの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】GaAsなどの化合物半導体の移動度
は、Siに比べ室温で5〜10倍と大きいため電子デバ
イスの高速化に有利である。そのため、不揮発性メモリ
においても、従来、いくつかの提案がなされている。
は、Siに比べ室温で5〜10倍と大きいため電子デバ
イスの高速化に有利である。そのため、不揮発性メモリ
においても、従来、いくつかの提案がなされている。
【0003】例えば、特開昭57−162470号公報
と特開昭61−7666号公報には、n−AlGaAs
とGaAsとの界面に蓄積される2次元電子ガスを利用
したメモリ構造が記載されている。例えば特開昭61−
7666号公報には、2次元電子ガス層に蓄積されてい
る電子が減少することなく、安定した書込み保持状態が
得られるようにした不揮発性半導体記憶装置を提供する
ことを目的として、書込み状態において電子を蓄積する
2次元電子ガス層が形成される第4の半導体層(アンド
ープGaAs層)と、2次元電子ガスが形成されオーミ
ック接続された2つの電極間を導通状態にする第2の半
導体層(アンドープGaAs層)との間に第2、第4の
半導体層よりも電子親和力の小さいアンドープの第3の
半導体層(アンドープAlGaAs層)を有することに
より、第4の半導体層に形成される2次元電子ガス層と
第2の半導体層に形成される2次元電子ガス層とを電気
的に完全に分離する構成が提案されている。
と特開昭61−7666号公報には、n−AlGaAs
とGaAsとの界面に蓄積される2次元電子ガスを利用
したメモリ構造が記載されている。例えば特開昭61−
7666号公報には、2次元電子ガス層に蓄積されてい
る電子が減少することなく、安定した書込み保持状態が
得られるようにした不揮発性半導体記憶装置を提供する
ことを目的として、書込み状態において電子を蓄積する
2次元電子ガス層が形成される第4の半導体層(アンド
ープGaAs層)と、2次元電子ガスが形成されオーミ
ック接続された2つの電極間を導通状態にする第2の半
導体層(アンドープGaAs層)との間に第2、第4の
半導体層よりも電子親和力の小さいアンドープの第3の
半導体層(アンドープAlGaAs層)を有することに
より、第4の半導体層に形成される2次元電子ガス層と
第2の半導体層に形成される2次元電子ガス層とを電気
的に完全に分離する構成が提案されている。
【0004】また、特開平4−23474号公報には、
ゲート電極とドレイン電極との間に浮遊電極を設け、ゲ
ート−ドレイン電極間及びソース−ゲート電極間の空乏
層幅を変化させることを利用したメモリ構造が記載され
ている。
ゲート電極とドレイン電極との間に浮遊電極を設け、ゲ
ート−ドレイン電極間及びソース−ゲート電極間の空乏
層幅を変化させることを利用したメモリ構造が記載され
ている。
【0005】更に、特開平5−235367号公報に
は、化合物半導体デバイスのバンドギャップの差を利用
して浮遊ゲートを形成することにより安定した品質の不
揮発性メモリを提供することを目的として、n型GaA
sからなる浮遊電極の周りを禁制帯幅の大きなAlGa
Asで囲い込んだ構造のメモリ構造が記載されている。
すなわち、同公報には、化合物半導体基板上にバンドギ
ャップが大きく(広禁制帯幅)、トンネル電流が流れる
程度に薄い厚さの第1のAlGaAs層と、バンドギャ
プの小さなn+GaAsを積層し、n+GaAs層を包み
込むようにトンネル電流が流れない程度の厚さの第2の
AlGaAs層を積層し、第1、第2のAlGaAs層
を介して前記n型GaAs層に電圧を印加するようにし
た構成が提案されている。
は、化合物半導体デバイスのバンドギャップの差を利用
して浮遊ゲートを形成することにより安定した品質の不
揮発性メモリを提供することを目的として、n型GaA
sからなる浮遊電極の周りを禁制帯幅の大きなAlGa
Asで囲い込んだ構造のメモリ構造が記載されている。
すなわち、同公報には、化合物半導体基板上にバンドギ
ャップが大きく(広禁制帯幅)、トンネル電流が流れる
程度に薄い厚さの第1のAlGaAs層と、バンドギャ
プの小さなn+GaAsを積層し、n+GaAs層を包み
込むようにトンネル電流が流れない程度の厚さの第2の
AlGaAs層を積層し、第1、第2のAlGaAs層
を介して前記n型GaAs層に電圧を印加するようにし
た構成が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のメモリ構造は、素子面積の縮小、低電圧化、動作の
安定性および信頼性の観点から問題があった。
来のメモリ構造は、素子面積の縮小、低電圧化、動作の
安定性および信頼性の観点から問題があった。
【0007】例えば、特開昭57−162470号公報
に記載のメモリ構造においては、GaAs上にSiO2
を配置し、その上にMoあるいは多結晶Siからなる浮
遊電極を設けているため、特にGaAsとSiO2との
界面に非常に多く存在する界面準位のために、特性の周
波数分散が大きくなり、動作の安定性及び信頼性に問題
がある。
に記載のメモリ構造においては、GaAs上にSiO2
を配置し、その上にMoあるいは多結晶Siからなる浮
遊電極を設けているため、特にGaAsとSiO2との
界面に非常に多く存在する界面準位のために、特性の周
波数分散が大きくなり、動作の安定性及び信頼性に問題
がある。
【0008】また、特開昭61−7666号公報に記載
のメモリ構造においては、製造上有利にはなるものの、
浮遊電極に当たるGaAsからなるポテンシャル井戸と
ソース電極およびドレイン電極の絶縁性が不十分なた
め、井戸内の蓄積電子の保持時間が短くなる問題があ
る。
のメモリ構造においては、製造上有利にはなるものの、
浮遊電極に当たるGaAsからなるポテンシャル井戸と
ソース電極およびドレイン電極の絶縁性が不十分なた
め、井戸内の蓄積電子の保持時間が短くなる問題があ
る。
【0009】さらに、特開平4−23474号公報に記
載のメモリ構造においては、ゲート電極への印加電圧が
低いため素子の耐圧面では有利になるものの、GaAs
上にSiO2を配置しているため、前記界面準位の問題
から動作の安定性及び信頼性に問題が残る。加えて、素
子面積が大きくなるため、集積密度に問題がある。
載のメモリ構造においては、ゲート電極への印加電圧が
低いため素子の耐圧面では有利になるものの、GaAs
上にSiO2を配置しているため、前記界面準位の問題
から動作の安定性及び信頼性に問題が残る。加えて、素
子面積が大きくなるため、集積密度に問題がある。
【0010】そして、特開平5−235367号公報に
記載のメモリ構造においては、浮遊電極が高不純物密度
の半導体で形成されるため、界面準位による素子特性の
信頼性低下の問題は避けられるものの、浮遊電極の周辺
が全て同じ広禁制帯幅の半導体で形成されるため、浮遊
電極に蓄積される電子の閉じこめ効果に問題がある。即
ち、書き込みと消去に必要な電圧の低減と浮遊電極内の
蓄積電子の閉じこめ効果の向上を同時に満足させること
が難しい問題がある。
記載のメモリ構造においては、浮遊電極が高不純物密度
の半導体で形成されるため、界面準位による素子特性の
信頼性低下の問題は避けられるものの、浮遊電極の周辺
が全て同じ広禁制帯幅の半導体で形成されるため、浮遊
電極に蓄積される電子の閉じこめ効果に問題がある。即
ち、書き込みと消去に必要な電圧の低減と浮遊電極内の
蓄積電子の閉じこめ効果の向上を同時に満足させること
が難しい問題がある。
【0011】本発明の目的は、このような従来の問題を
解消し、素子面積が小さく、低電圧動作が可能で、かつ
動作の安定性および高信頼性を確保しうる化合物半導体
メモリを提供することにある。
解消し、素子面積が小さく、低電圧動作が可能で、かつ
動作の安定性および高信頼性を確保しうる化合物半導体
メモリを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、チャネルとなる第1の半導体層上に、前
記第1の半導体層より電子親和力の小さな第2の半導体
層と、前記第2の半導体層より電子親和力の大きなn型
の第3の半導体層と、前記第2の半導体層より小さな電
子親和力の第4の半導体層からなる積層構造を有し、か
つ前記第4の半導体層の上方に前記第4の半導体層を通
してチャネルの導伝性を制御するゲート電極と、前記ゲ
ート電極を挾んだ両側に前記チャネルと電気的に接続さ
れるソース電極及びドレイン電極を具備してなることを
特徴とする化合物半導体メモリを提供する。
め、本発明は、チャネルとなる第1の半導体層上に、前
記第1の半導体層より電子親和力の小さな第2の半導体
層と、前記第2の半導体層より電子親和力の大きなn型
の第3の半導体層と、前記第2の半導体層より小さな電
子親和力の第4の半導体層からなる積層構造を有し、か
つ前記第4の半導体層の上方に前記第4の半導体層を通
してチャネルの導伝性を制御するゲート電極と、前記ゲ
ート電極を挾んだ両側に前記チャネルと電気的に接続さ
れるソース電極及びドレイン電極を具備してなることを
特徴とする化合物半導体メモリを提供する。
【0013】本発明は、好ましくは、前記第1の半導体
層がGaAs、前記第2の半導体層がAl0.25Ga0.75
As、前記第3の半導体層がIn0.25Ga0.75As、前
記第4の半導体層がAl0.5Ga0.5Asからなることを
特徴とする。
層がGaAs、前記第2の半導体層がAl0.25Ga0.75
As、前記第3の半導体層がIn0.25Ga0.75As、前
記第4の半導体層がAl0.5Ga0.5Asからなることを
特徴とする。
【0014】また、本発明は、好ましくは、前記第1半
導体層がn型で、前記第2の半導体層及び前記第4の半
導体層の不純物密度が略1×1010から1×1017cm
-3の範囲とされたことを特徴とする(MIS型のメモリ
セル)。
導体層がn型で、前記第2の半導体層及び前記第4の半
導体層の不純物密度が略1×1010から1×1017cm
-3の範囲とされたことを特徴とする(MIS型のメモリ
セル)。
【0015】さらに、本発明は、好ましくは、前記第2
の半導体層の不純物密度が略1×1017〜1×1020c
m-3の範囲で、前記第4の半導体層の不純物密度が略1
×1010〜1×1017cm-3の範囲とされたことを特徴
とする。この場合、前記第1半導体層はn型でも、アン
ドープ(変調ドープ型のメモリセル)でもよい。
の半導体層の不純物密度が略1×1017〜1×1020c
m-3の範囲で、前記第4の半導体層の不純物密度が略1
×1010〜1×1017cm-3の範囲とされたことを特徴
とする。この場合、前記第1半導体層はn型でも、アン
ドープ(変調ドープ型のメモリセル)でもよい。
【0016】そして、本発明は、好ましくは、前記第1
の半導体層の不純物密度が略1×1010〜1×1017c
m-3の範囲であることを特徴とする(前記第1の半導体
層を電子走行層、第2の半導体層を電子供給層とする高
電子移動度型(High Electron Mobility型)のメモリセ
ル)。
の半導体層の不純物密度が略1×1010〜1×1017c
m-3の範囲であることを特徴とする(前記第1の半導体
層を電子走行層、第2の半導体層を電子供給層とする高
電子移動度型(High Electron Mobility型)のメモリセ
ル)。
【0017】本発明は、好ましくは、少なくともゲート
電極直下の前記第1の半導体層の下にp型の第5の半導
体層と、前記第5の半導体層と電気的に接続された第1
の制御電極を具備したことを特徴とする。
電極直下の前記第1の半導体層の下にp型の第5の半導
体層と、前記第5の半導体層と電気的に接続された第1
の制御電極を具備したことを特徴とする。
【0018】また、本発明は、好ましくは、前記第3の
半導体層と前記第4の半導体層の間に、前記第2の半導
体層より電子親和力が小さい第6の半導体層と、前記第
6及び前記第4の半導体層より大きな電子親和力を有す
るn型の第7の半導体層とを具備し、かつ前記第7の半
導体層の電位を可変しうる第2の制御電極を具備したこ
とを特徴とする。
半導体層と前記第4の半導体層の間に、前記第2の半導
体層より電子親和力が小さい第6の半導体層と、前記第
6及び前記第4の半導体層より大きな電子親和力を有す
るn型の第7の半導体層とを具備し、かつ前記第7の半
導体層の電位を可変しうる第2の制御電極を具備したこ
とを特徴とする。
【0019】本発明は、前記化合物半導体メモリを複数
個直列に接続し、かつ外部からの電位を前記複数個の化
合物半導体メモリに伝達するスイッチ素子を具備してな
ることを特徴とするNAND型化合物半導体メモリを提
供する。
個直列に接続し、かつ外部からの電位を前記複数個の化
合物半導体メモリに伝達するスイッチ素子を具備してな
ることを特徴とするNAND型化合物半導体メモリを提
供する。
【0020】本発明は、前記化合物半導体メモリと、外
部からの電位を前記化合物半導体メモリに伝達するスイ
ッチ素子とを直列接続したものを複数個並列に接続した
ことを特徴とするNOR型化合物半導体メモリを提供す
る。
部からの電位を前記化合物半導体メモリに伝達するスイ
ッチ素子とを直列接続したものを複数個並列に接続した
ことを特徴とするNOR型化合物半導体メモリを提供す
る。
【0021】本発明の化合物半導体メモリは、ゲート電
極直下に高不純物密度の化合物半導体を用いた浮遊ゲー
ト層を設置し、かつ浮遊ゲートに対して、チャネル側の
ポテンシャルバリア(ポテンシャル障壁)の高さに比
べ、ゲート電極側のポテンシャルバリアを高くしている
ため素子面積を縮減でき、かつリーク電流の抑制により
動作の安定性および信頼性を確保することができる。
極直下に高不純物密度の化合物半導体を用いた浮遊ゲー
ト層を設置し、かつ浮遊ゲートに対して、チャネル側の
ポテンシャルバリア(ポテンシャル障壁)の高さに比
べ、ゲート電極側のポテンシャルバリアを高くしている
ため素子面積を縮減でき、かつリーク電流の抑制により
動作の安定性および信頼性を確保することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】本発明の各実施の形態を図面を参
照して以下に詳細に説明する。
照して以下に詳細に説明する。
【0023】
【実施形態1】図1を参照して、半絶縁性GaAs基板
11上に膜厚が約500nmのアンドープのGaAsバ
ッファ層12と、膜厚が約50nmでドナー密度が約5
×1017cm-3のn型GaAsチャネルからなる第1の
半導体層(「チャネル層」ともいう)13と、膜厚が約
30nmのアンドープのAl0.25Ga0.75Asからなる
第2の半導体層14と、膜厚が約300nmでドナー密
度が約5×1019cm-3のn型In0.25Ga0.75Asか
らなる第3の半導体層15と、膜厚が約300nmのア
ンドープのAl0.5Ga0.5Asからなる第4の半導体層
16を順次形成し、その上にWSiによるゲート電極1
7を形成する。なお、ゲート電極17と第4の半導体層
16との間に表面安定化膜としてGaAsなどを挿入し
てもよい。
11上に膜厚が約500nmのアンドープのGaAsバ
ッファ層12と、膜厚が約50nmでドナー密度が約5
×1017cm-3のn型GaAsチャネルからなる第1の
半導体層(「チャネル層」ともいう)13と、膜厚が約
30nmのアンドープのAl0.25Ga0.75Asからなる
第2の半導体層14と、膜厚が約300nmでドナー密
度が約5×1019cm-3のn型In0.25Ga0.75Asか
らなる第3の半導体層15と、膜厚が約300nmのア
ンドープのAl0.5Ga0.5Asからなる第4の半導体層
16を順次形成し、その上にWSiによるゲート電極1
7を形成する。なお、ゲート電極17と第4の半導体層
16との間に表面安定化膜としてGaAsなどを挿入し
てもよい。
【0024】チャネル層13に電気的に接続されるドレ
イン電極19とソース電極20は、例えば、AuGe/
Ni/Auを用いたオーミック性電極で、通常、チャネ
ル層13上に形成される。但し、ドレイン電極19とソ
ース電極20は、第2の半導体層14あるいは第3の半
導体層15上に形成しても良い。この場合、ゲート電極
17とソース電極20およびドレイン電極19との間を
エッチング技術等を用いて電気的に分離する必要があ
る。
イン電極19とソース電極20は、例えば、AuGe/
Ni/Auを用いたオーミック性電極で、通常、チャネ
ル層13上に形成される。但し、ドレイン電極19とソ
ース電極20は、第2の半導体層14あるいは第3の半
導体層15上に形成しても良い。この場合、ゲート電極
17とソース電極20およびドレイン電極19との間を
エッチング技術等を用いて電気的に分離する必要があ
る。
【0025】素子分離領域18は、ボロンや酸素などを
用いたイオン注入や、湿式あるいは乾式のエッチング技
術によって形成できる。
用いたイオン注入や、湿式あるいは乾式のエッチング技
術によって形成できる。
【0026】次に、本実施形態に係る化合物半導体メモ
リ動作原理について説明する。
リ動作原理について説明する。
【0027】図2は、図1に示したメモリ構造における
ゲート電極17の直下の伝導帯Ecのポテンシャル分布
を模式的に示したものである。より詳細には、図2
(a)はメモリデータの書き込み動作を、図2(b)は
メモリデータの消去動作をそれぞれ示している。
ゲート電極17の直下の伝導帯Ecのポテンシャル分布
を模式的に示したものである。より詳細には、図2
(a)はメモリデータの書き込み動作を、図2(b)は
メモリデータの消去動作をそれぞれ示している。
【0028】ホットエレクトロン注入を利用した書き込
み動作の場合、例えばソース電極20に0V、ドレイン
電極19に5V、ゲート電極17に0.5Vから5Vの
電圧を印加することによって書込みが可能となる。
み動作の場合、例えばソース電極20に0V、ドレイン
電極19に5V、ゲート電極17に0.5Vから5Vの
電圧を印加することによって書込みが可能となる。
【0029】SiO2を用いたSiMOSFETのメモ
リ構造の場合に比べ、本実施形態においては、浮遊ゲー
トとなる第3の半導体層15に注入される電子に対する
ポテンシャルバリアは、約1/10と小さいため、印加
すべきゲート電圧は小さくてよい。
リ構造の場合に比べ、本実施形態においては、浮遊ゲー
トとなる第3の半導体層15に注入される電子に対する
ポテンシャルバリアは、約1/10と小さいため、印加
すべきゲート電圧は小さくてよい。
【0030】また、本実施形態のメモリ構造は、基本的
にショットキーゲート電極を用いたデバイスであるた
め、過剰なゲート電圧の印加は、デバイスの破壊やリー
ク電流の増大を招く恐れがある。印加電圧は、デバイス
構造設計によって最適化することが必要とされる。
にショットキーゲート電極を用いたデバイスであるた
め、過剰なゲート電圧の印加は、デバイスの破壊やリー
ク電流の増大を招く恐れがある。印加電圧は、デバイス
構造設計によって最適化することが必要とされる。
【0031】本実施形態のメモリ構造の場合、第2の半
導体層14と第3の半導体層15との電子親和力の差に
比べ、第3の半導体層15と第4の半導体層16との電
子親和力の差が大きいため、注入効率が良く、またゲー
ト電極17側へのリーク電流を低減することができる。
導体層14と第3の半導体層15との電子親和力の差に
比べ、第3の半導体層15と第4の半導体層16との電
子親和力の差が大きいため、注入効率が良く、またゲー
ト電極17側へのリーク電流を低減することができる。
【0032】一方、消去動作は、トンネル電流を利用す
る。例えば、ソース電極20に5V、ゲート電極17に
0V以上の電圧を印加する。ドレイン電極19は開放、
あるいはソース電極20と同じく5Vを印加してもよ
い。印加電圧の選択は、設計に応じて適宜変更可能であ
る。
る。例えば、ソース電極20に5V、ゲート電極17に
0V以上の電圧を印加する。ドレイン電極19は開放、
あるいはソース電極20と同じく5Vを印加してもよ
い。印加電圧の選択は、設計に応じて適宜変更可能であ
る。
【0033】メモリデータの読みだし動作は、通常動作
において、トランジスタが導通するか否かをセンスアン
プで検出することで、記憶情報の“1”と“0”を判別
することにより行われる。
において、トランジスタが導通するか否かをセンスアン
プで検出することで、記憶情報の“1”と“0”を判別
することにより行われる。
【0034】本実施形態では、n型GaAsチャネル1
3とアンドープのAlGaAsヘテロバリア層14を用
いた、いわゆるヘテロMIS(金属−絶縁膜−半導体)
構造のデバイス(メモリセル構造)について説明した。
3とアンドープのAlGaAsヘテロバリア層14を用
いた、いわゆるヘテロMIS(金属−絶縁膜−半導体)
構造のデバイス(メモリセル構造)について説明した。
【0035】本実施形態における構造は、デバイス耐圧
の面で優れている。
の面で優れている。
【0036】一方、チャネル中を走行する電子の移動度
を高める目的で、変調ドープ構造を用いることもでき
る。即ち、第1の半導体層13としてアンドープあるい
は低不純物密度のGaAsを、第2の半導体層14とし
て、ドナー密度が約2×1018cm-3のAl0.25Ga
0.75Asを用いることで作製できる。その他の構成は、
上記した本実施形態と同様である。なお、第1の半導体
層13としてアンドープとした場合、第1の半導体層1
3(i−GaAs)を電子走行層、n+−AlGaAs
からなる第2の半導体層14を電子供給層とする高電子
移動度(High Electron Mobility)型構造のメモリセル
となる。
を高める目的で、変調ドープ構造を用いることもでき
る。即ち、第1の半導体層13としてアンドープあるい
は低不純物密度のGaAsを、第2の半導体層14とし
て、ドナー密度が約2×1018cm-3のAl0.25Ga
0.75Asを用いることで作製できる。その他の構成は、
上記した本実施形態と同様である。なお、第1の半導体
層13としてアンドープとした場合、第1の半導体層1
3(i−GaAs)を電子走行層、n+−AlGaAs
からなる第2の半導体層14を電子供給層とする高電子
移動度(High Electron Mobility)型構造のメモリセル
となる。
【0037】また、第1の半導体層13と第2の半導体
層14の両方に不純物ドープすることも可能である。こ
の場合の利点は、デバイスの耐圧としきい値電圧の最適
化が容易となることである。
層14の両方に不純物ドープすることも可能である。こ
の場合の利点は、デバイスの耐圧としきい値電圧の最適
化が容易となることである。
【0038】
【実施形態2】次に、本発明の第2の実施形態について
説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る化合
物半導体メモリの構成を模式的に示す断面図である。
説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る化合
物半導体メモリの構成を模式的に示す断面図である。
【0039】図3を参照して、本実施形態と、図1に示
した前記第1の実施形態との相違点は、膜厚が約100
nmで、アクセプタ密度が約3×1017cm-3のp型G
aAsからなる第5の半導体層21が第1の半導体層1
3の下に挿入され、第5の半導体層21に電気的に接続
された金属、例えばWSiからなる第1の制御電極22
を設けていることである。
した前記第1の実施形態との相違点は、膜厚が約100
nmで、アクセプタ密度が約3×1017cm-3のp型G
aAsからなる第5の半導体層21が第1の半導体層1
3の下に挿入され、第5の半導体層21に電気的に接続
された金属、例えばWSiからなる第1の制御電極22
を設けていることである。
【0040】本実施形態のメモリ構造のデバイスを用い
ることにより、後述のNAND型集積メモリを構成する
ことができる。
ることにより、後述のNAND型集積メモリを構成する
ことができる。
【0041】本実施形態に係るメモリデバイスの場合、
第1の制御電極22に正の電圧を印加することにより、
浮遊ゲートで蓄積された電子を抜き取ることができる。
このため、本実施形態をメモリセルとしてNAND型集
積メモリを構成した場合、一括消去が可能である利点が
ある。
第1の制御電極22に正の電圧を印加することにより、
浮遊ゲートで蓄積された電子を抜き取ることができる。
このため、本実施形態をメモリセルとしてNAND型集
積メモリを構成した場合、一括消去が可能である利点が
ある。
【0042】
【実施形態3】次に、本発明の第3の実施形態について
説明する。図4は、本発明の第3の実施形態の化合物半
導体メモリの構成を模式的に示す断面図である。
説明する。図4は、本発明の第3の実施形態の化合物半
導体メモリの構成を模式的に示す断面図である。
【0043】図4を参照して、本実施形態と、図1に示
した前記第1の実施形態との相違点は、次の通りであ
る。
した前記第1の実施形態との相違点は、次の通りであ
る。
【0044】(1)膜厚が約50nmで、ドナー密度が
約5×1018cm-3のn型GaAsからなる第8の半導
体層25をソース電極20およびドレイン電極19の下
側に形成し、寄生抵抗を低減した点である。第8の半導
体層25は、有機金属化学気相成長(MOCVD)法や
有機金属分子線エピタキシャル(MOMBE)法を用い
た選択エピタキシャル成長によって形成することができ
る。
約5×1018cm-3のn型GaAsからなる第8の半導
体層25をソース電極20およびドレイン電極19の下
側に形成し、寄生抵抗を低減した点である。第8の半導
体層25は、有機金属化学気相成長(MOCVD)法や
有機金属分子線エピタキシャル(MOMBE)法を用い
た選択エピタキシャル成長によって形成することができ
る。
【0045】(2)第3の半導体層15と第4の半導体
層16との間に、膜厚が約100nmのアンドープのA
l0.5Ga0.5Asからなる第6の半導体層23と、膜厚
が約200nmで、ドナー密度が約1×1019cm-3の
n型GaAsからなる第7の半導体層24を形成してい
る。
層16との間に、膜厚が約100nmのアンドープのA
l0.5Ga0.5Asからなる第6の半導体層23と、膜厚
が約200nmで、ドナー密度が約1×1019cm-3の
n型GaAsからなる第7の半導体層24を形成してい
る。
【0046】第7の半導体層24には、この第7の半導
体層24の電位を可変し得る第2の制御電極が接続され
ている。そして、第2の制御電極に正の電圧を印加する
ことにより、浮遊ゲート15に蓄積された電子を抜き取
ることが可能となる。
体層24の電位を可変し得る第2の制御電極が接続され
ている。そして、第2の制御電極に正の電圧を印加する
ことにより、浮遊ゲート15に蓄積された電子を抜き取
ることが可能となる。
【0047】図4においては、第4の半導体層16と第
6の半導体層23とが一部で接触しているが、この2つ
の層の間の全領域に第7の半導体層24を挿入しても良
い。
6の半導体層23とが一部で接触しているが、この2つ
の層の間の全領域に第7の半導体層24を挿入しても良
い。
【0048】
【実施形態4】次に、本発明の第4の実施形態について
説明する。図5は、本発明の第4の実施形態のNAND
型集積メモリの構成を模式的に示す断面図である。
説明する。図5は、本発明の第4の実施形態のNAND
型集積メモリの構成を模式的に示す断面図である。
【0049】本実施形態においては、図3に示した前記
第2の実施形態に係る不揮発性メモリセル31を5つ、
更に選択用スイッチ素子32を2つ、直列に接続するこ
とにより基本的に構成される。メモリセルの数は、任意
に選択できる。
第2の実施形態に係る不揮発性メモリセル31を5つ、
更に選択用スイッチ素子32を2つ、直列に接続するこ
とにより基本的に構成される。メモリセルの数は、任意
に選択できる。
【0050】選択用スイッチ素子32は、第2の半導体
層14上にゲート電極を設けた通常の電界効果型トラン
ジスタである。なお、選択用スイッチ素子32のゲート
電極は第3の半導体層15あるいは第4の半導体層16
上に設けてもよい。
層14上にゲート電極を設けた通常の電界効果型トラン
ジスタである。なお、選択用スイッチ素子32のゲート
電極は第3の半導体層15あるいは第4の半導体層16
上に設けてもよい。
【0051】ここで、本実施形態に係るNAND型集積
メモリの動作原理について簡単に説明する。
メモリの動作原理について簡単に説明する。
【0052】全ゲートに0Vを、第1の制御電極22に
5から20Vまでの間の電圧を印加し、各メモリセルの
浮遊ゲートに蓄積された電子を抜き取ることにより一括
消去を行う。この時、ビット線33は開放でよい。
5から20Vまでの間の電圧を印加し、各メモリセルの
浮遊ゲートに蓄積された電子を抜き取ることにより一括
消去を行う。この時、ビット線33は開放でよい。
【0053】一方、書き込み動作は、次の通りである。
任意のワード線を選択し、この選択ワード線と選択用ス
イッチ素子32のゲート電極に0.5Vから5Vまでの
間の電圧を印加する。
任意のワード線を選択し、この選択ワード線と選択用ス
イッチ素子32のゲート電極に0.5Vから5Vまでの
間の電圧を印加する。
【0054】他の非選択ワード線には、例えば0.3V
を、ビット線には0Vを印加する。これにより、選択ワ
ード線に接続されたメモリセルに一括して記憶情報を書
き込むことができる。このようにNAND型集積メモリ
の特徴は、一括消去と、同一ワード線上のメモリセルへ
の一括書き込みである。
を、ビット線には0Vを印加する。これにより、選択ワ
ード線に接続されたメモリセルに一括して記憶情報を書
き込むことができる。このようにNAND型集積メモリ
の特徴は、一括消去と、同一ワード線上のメモリセルへ
の一括書き込みである。
【0055】これに対して、NOR型集積メモリでは、
ランダムなメモリセルへの書き込みが可能である。この
NOR型集積メモリは、例えば、図1に示した前記第1
の実施形態のメモリ構造をもつデバイスと前記選択用ス
イッチ素子を直列に接続したものを並列接続することに
より構成できる。
ランダムなメモリセルへの書き込みが可能である。この
NOR型集積メモリは、例えば、図1に示した前記第1
の実施形態のメモリ構造をもつデバイスと前記選択用ス
イッチ素子を直列に接続したものを並列接続することに
より構成できる。
【0056】以上、上記各実施形態について説明した
が、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものでな
く、本発明の原理に準ずるすべての態様・変形を含むこ
とは勿論である。例えば、本発明は、InP、InAl
As、GaSb、InSb、InAs、AlSb、Ga
InP等他の半導体材料に対しても適応できることは明
らかである。
が、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものでな
く、本発明の原理に準ずるすべての態様・変形を含むこ
とは勿論である。例えば、本発明は、InP、InAl
As、GaSb、InSb、InAs、AlSb、Ga
InP等他の半導体材料に対しても適応できることは明
らかである。
【0057】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の化合物半
導体メモリは、ゲート電極直下に高不純物密度の化合物
半導体を用いた浮遊ゲートを設置し、かつ浮遊ゲートに
対してチャネル側のポテンシャルバリアの高さに比べ、
ゲート電極側のポテンシャルバリアを高くしているため
素子面積が小さくでき、かつリーク電流の抑制により動
作の安定性および信頼性を確保できる。また、本発明に
よれば、結晶成長により連続的に形成できるため作製も
容易となる。更に、本発明によれば、SiとSiO2を
用いた場合に比べ、ポテンシャルバリアが低いため低電
圧動作が可能であり、かつ書き込み時間及び消去時間を
短縮できる。そして、本発明によれば、化合物半導体チ
ャネル層を走行する高速な電子を活用できるため、読み
出し時間も短縮できる。
導体メモリは、ゲート電極直下に高不純物密度の化合物
半導体を用いた浮遊ゲートを設置し、かつ浮遊ゲートに
対してチャネル側のポテンシャルバリアの高さに比べ、
ゲート電極側のポテンシャルバリアを高くしているため
素子面積が小さくでき、かつリーク電流の抑制により動
作の安定性および信頼性を確保できる。また、本発明に
よれば、結晶成長により連続的に形成できるため作製も
容易となる。更に、本発明によれば、SiとSiO2を
用いた場合に比べ、ポテンシャルバリアが低いため低電
圧動作が可能であり、かつ書き込み時間及び消去時間を
短縮できる。そして、本発明によれば、化合物半導体チ
ャネル層を走行する高速な電子を活用できるため、読み
出し時間も短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る化合物半導体メ
モリの構成を模式的に示す断面図である。
モリの構成を模式的に示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る化合物半導体メ
モリの動作を説明するための図である。
モリの動作を説明するための図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に係る化合物半導体メ
モリの構成を模式的に示す断面図である。
モリの構成を模式的に示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る化合物半導体メ
モリの構成を模式的に示す断面図である。
モリの構成を模式的に示す断面図である。
【図5】本発明の第4の実施形態に係るNAND型化合
物半導体メモリの構成を模式的に示す断面図である。
物半導体メモリの構成を模式的に示す断面図である。
11 基板 12 バッファ層 13 第1の半導体層またはチャネル層 14 第2の半導体層 15 第3の半導体層 16 第4の半導体層 17 ゲート電極 18 素子分離領域 19 ドレイン電極 20 ソース電極 21 第5の半導体層 22 第1の制御電極 23 第6の半導体層 24 第7の半導体層または第2の制御電極 25 第8の半導体層 31 メモリセル 32 選択用スイッチ素子 33 ビット線
Claims (11)
- 【請求項1】チャネルとなる第1の半導体層上に、前記
第1の半導体層より電子親和力の小さな第2の半導体層
と、前記第2の半導体層より電子親和力の大きなn型の
第3の半導体層と、前記第2の半導体層より小さな電子
親和力の第4の半導体層からなる積層構造を有し、かつ
前記第4の半導体層の上方に前記第4の半導体層を通し
てチャネルの導伝性を制御するゲート電極と、前記ゲー
ト電極を挾んだ両側に前記チャネルと電気的に接続され
るソース電極及びドレイン電極を具備してなることを特
徴とする化合物半導体メモリ。 - 【請求項2】前記第1の半導体層がGaAs、前記第2
の半導体層がAl0.25Ga0.75As、前記第3の半導体
層がIn0.25Ga0.75As、前記第4の半導体層がAl
0.5Ga0.5Asからなることを特徴とする請求項1記載
の化合物半導体メモリ。 - 【請求項3】前記第1半導体層がn型であり、前記第2
の半導体層及び前記第4の半導体層の不純物密度が略1
×1010cm-3から1×1017cm-3の範囲であること
を特徴とする請求項1記載の化合物半導体メモリ。 - 【請求項4】前記第2の半導体層の不純物密度が略1×
1017cm-3から1×1020cm-3の範囲であり、前記
第4の半導体層の不純物密度が略1×1010cm-3から
1×1017cm-3の範囲であることを特徴とする請求項
1記載の化合物半導体メモリ。 - 【請求項5】前記第1の半導体層の不純物密度が略1×
1010cm-3から1×1017cm-3の範囲であることを
特徴とする請求項4記載の化合物半導体メモリ。 - 【請求項6】少なくともゲート電極直下の前記第1の半
導体層の下にp型の第5の半導体層と、前記第5の半導
体層と電気的に接続された第1の制御電極を具備したこ
とを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一に記載の化
合物半導体メモリ。 - 【請求項7】前記第3の半導体層と前記第4の半導体層
の間に、前記第2の半導体層より電子親和力が小さい第
6の半導体層と、前記第6及び前記第4の半導体層より
大きな電子親和力を有するn型の第7の半導体層とを具
備し、かつ前記第7の半導体層の電位を可変しうる第2
の制御電極を具備したことを特徴とする請求項1乃至5
のいずれか一に記載の化合物半導体メモリ。 - 【請求項8】n型の第8の半導体層を前記ソース電極お
よび前記ドレイン電極の下側にそれぞれ配設したことを
特徴とする請求項7記載の化合物半導体メモリ。 - 【請求項9】前記請求項6乃至8のいずれか一に記載の
化合物半導体メモリを複数個直列に接続し、かつ外部か
らの電位を前記複数個の化合物半導体メモリに伝達する
スイッチ素子を具備してなることを特徴とするNAND
型化合物半導体メモリ。 - 【請求項10】前記請求項1乃至8のいずれか一に記載
の化合物半導体メモリと、外部からの電位を前記化合物
半導体メモリに伝達するスイッチ素子とを直列接続した
ものを複数個並列に接続したことを特徴とするNOR型
化合物半導体メモリ。 - 【請求項11】チャネルの導電性を制御するゲート電極
の直下に高不純物密度の化合物半導体層を含む浮遊ゲー
トを配設し、且つ前記浮遊ゲートに対してチャネル側の
ポテンシャルバリアの高さに比べ前記ゲート電極側のポ
テンシャルバリアをより高くしてなるメモリセルを備え
たことを特徴とする化合物半導体メモリ。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7196082A JP2973876B2 (ja) | 1995-07-07 | 1995-07-07 | 化合物半導体メモリ |
US08/677,347 US6023079A (en) | 1995-07-07 | 1996-07-02 | Compound semiconductor memory with floating gate |
US08/947,166 US6025612A (en) | 1995-07-07 | 1997-10-08 | NAND or NOR compound semiconductor memory |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH0927561A true JPH0927561A (ja) | 1997-01-28 |
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ID=16351913
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---|---|---|---|
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Cited By (1)
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---|---|---|---|---|
US7385243B2 (en) | 2002-02-25 | 2008-06-10 | Infineon Technologies Ag | Floating gate memory cell with a metallic source/drain and gate, and method for manufacturing such a floating gate memory gate cell |
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