JPS58123775A - 不揮発性半導体メモリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ゲート絶縁膜としてシリコン窒化膜−シリコ
ン酸化膜の二層絶縁膜を少くとも有する不揮発性半導体
メモ９ＫＨする亀のである。

不揮発性半導体メモリの代置的なものに、ＭＮＯｇ（Ｍ
＠ｔａｌ−ＩＨｔｒ１４ｓ−Ｏｘ１４ｅ４１１１ｏｏｎ
）記憶素子がある〇 囲ン窒化膜３中のトラップＩＩＫ、シリコンｌから薄−
シリコン酸化膜−を介してトンネリング機構によって電
荷を注入、トラップさせて不揮発的に情報を記憶させ、
トラップの荷電状態によって）ランジスタのしき一値電
圧ｖｔｈを変化させる仁とｋよって不揮発性半導体メモ
リとして動作する。

従来、ＭＮＯｇ　　）ランジスタのしきい値電圧ｖｔｈ
を変化さぜるための書愈込み／消失電圧はコ３ｖ前後と
大きく、ＬＢ工の高速化、低電圧化には不適当であった
。また、ＭｌｌＯｇ　記憶素子では、シリコン窒化膜中
のシラツブに電荷を蓄積させて情報を記憶させるため、
記憶素子の性能はシリコン窒化膜の特性に大きく依存す
るのであるが、シリコン窒化膜中のトラップ濃度を制御
することは困難であり、記憶素子としての設計性が乏し
かった。更に％ＭＩＯＩ！　記憶素子のシリコンに接す
る絶縁膜は、比較的禁制帯幅の大きなシリ３ン酸化膜で
あるため、仁のことも書自込み／シリコン酸化膜を正孔
が流れる場合忙劣化が生じやす−という欠点もあった。

本発明は、従来のＭｌｌＯｇ　記憶素子と社員なる構成
をと秒、一層の高速、低電圧書き込み／消去を可飽和し
た不揮発性半導体メモリの構造を提供するｇ的でなされ
たものである。以下本発明につ−て説明する。以下の説
明では、第１の半導体領域をシリコンとして−るが、こ
の領域け、Ｇ・あるいはσ＆Ａｓ　　などの化合物半導
体であってもよ−。

第２図社本発明による不揮発性半導体メモリの絶縁膜構
成の原理説明を示す略図で、シリコン基板／ＫＩＩＩし
てシリコン窒化ＩＩ３、更に、その上にシリコン酸化膜
ｔを有する二層絶縁膜構造である。シリコン窒化膜は、
シリコンの直接熱窒化によっても得られるし、気相成長
（減圧成長によっても得られる。この構造において、も
ちろんシリコン窒化膜ＫＦＩ、従来のＭＭＯＢ　記憶素
子に利用されているトラップは存在するが、その上にシ
リコン酸化膜を付すことｋよって新：□１１：ま たに生ずるシリコン窒化膜−シリコン酸化膜界面付近に
高密度のトラップが形成される。この事実を示す、本発
明の構造による実験結果について説明する。ＩＩ′ＩＭ
シリコン上に１シリコン窒化膜を１１６人　付した後、
更に１このシリコン窒化膜を酸化することによ抄、シリ
コン窒化膜上にシリコン書化膜管厚さｚ３ム、８８Ａ　
形成し、ム１ゲートを付したＭＯｌｌＢ（Ｍ＠ｔａｌ−
Ｏｘｉｄｓ−Ｎｉｔｒｉｄｅ−８ｉｌｉａｏｎ）　　構
造ダイオードを試作し、そのメモリヒステリシス特性を
測定した◎ １１１７図はその結果を示したもので、縦軸は最大メモ
リウィンド幅であ抄、横軸はシリプン窒フン酸化膜−シ
リコン窒化膜界面付近に多量のトラップが形成されたこ
とを示している。即ち、このＭＯ）Ｔ８　　ダイオード
のメモリ特性は、大部分が新たに形成されたシラツブに
よって決定されている。したがって、シリコン上の絶縁
Ｉｌがシリコン窒化膜のみでは、メモリに寄与するシラ
ツブの制御が困難であ抄、また、シリコン窒化膜を薄く
して低電圧化を図る場合ＩＩＣは、第Ｊｌｌｌｋ見られ
るような有効なメモリウィンド幅は取り得すメモリ素子
構造として用−ることが困難であるが、本発明によ抄シ
リコン窒化膜を更に酸化してシリコン窒化膜上にシリコ
ン酸化膜を付すことにより、新たに形成されるシリコン
酸化膜−シリコン蜜化膜界面付近の限定された場所Ｋｌ
！＋威されるトラップによって、メモリウィンド幅を大
きくとることができ、メモリ素子のり特性が決められる
ので、従来のＭＩＯ！ｍ　素子の薄膜化に対して制限と
なっていた、シリコン窒化膜中のキャリアのＩＩＩＩｌ
！距離による制約（Ｈａｍｐｔｏｍ　　らの文献：　’
ｌ’＠ａｋｎｉｏａｌ　Ｄｉｇｅｓ＋ｔ。

工ｎｔ＠ｒｎａｔｌｏｍａｌ　Ｉｌ＠ｅｔｒＯｎ　Ｄｓ
ｖｉｏｅ輩ｓ＠ｔｉｎｇ＋Ｐ、８）４（１９）９）Ｋよ
ればシリコン窒化膜薄膜化の限界は電子の＊＊距離より
も長い正孔の捕寮距離の２倍であ！１，１９０ムが下限
値とされていた）を取り除くことができ、シリコン窒化
膜の薄膜化を進めて、メモリ素子の低電圧化、高速化を
図ることができる０更に１シリコンＫＩＬしてシリコン
酸化膜よ忰も禁止帯幅が小さく、キャリアを流しやすい
シリコン窒化膜が形成されているので、書自込み／消去
が従来のＭｌｌｏｇ　記憶素子よりも容易に行う仁とが
でき、この仁と一高達、低電圧書き込み／消去を実現す
るのに顕著ンした膜厚が極端に薄くなると局所的Ｅｌｌ
一部分やピンホールの発生が顕著Ｋｆｋ）、メそり素子
として機能させることが困難となる。ｏｗｎシリコン窒
化膜に膜厚分布を持たせ、更に、酸化して各部分のメモ
リ特性を調べた結果、ＯＶＤシリコン窒化展では、薄膜
化の下ｌＩ社約ｉｏ！であることを実験的に確めた。後
述するように、シリコン窒化膜において、他よ秒も薄い
部分やピンホールの発生が顕著でない場合は、もちろん
メモリ素子機能を発揮する・記憶保持に関して社、本発
明の構造では・シリコン窒化膜−シリコン酸化膜界面付
近のトラップからシリコンへの、トラップされたキャリ
アのパックトンネリングはシリコン窒化膜厚が８５１以
上あれば十分防ぐことができ、またトラップされたキャ
リアのゲート電極側への放出は、従来のＭＭＯＩ９　素
子の薄膜化をも実現することができ、一層、高速、低電
圧書き込み／消失が可能な不揮発性メモリメモリを実現
することができる。

第コの利点を有する。即ち、シリフン酸化膜の禁止帯幅
け、シリコン窒化膜のそれに対して大きく、シリコン酸
化膜はシリコン窒化膜から見た場合、正孔に対しても電
子に対しても障壁として働くため書き込み／消失時に１
１１＃効果トランジスタ構造で不揮発性メモリを構成す
る場合のゲートからのキャリアの注入を抑止できるとと
である。従来の麗夏０８　構造で書き込み／消失時にゲ
ートからのキャリアの注入があると、主−入キャリアで
あるシリコンからの注入キャリー゛と逆極性のキャリア
が同時にゲージから注入轡れるととｋなるので、全体と
してシリコン窒化膜にトラップされる電荷が打ち消され
、書き込み／消去の効率が減少するととｋなる。この問
題を、本発明は前述のようにシリコン窒化膜上に更にシ
リコン酸化膜を有する構造にしてゲートからのキャリア
の注入を抑止するととｋよって解決してφるものである
。更に、第３の利点として、本発明の構造によ抄不揮発
性メそりとしての劣化防止を同時に行えることである。

如ち、シリコン窒化膜ではシリコン−化膜と興″Ｉｋ抄
正孔も伝導し易−０従って、シリコン窒化膜上にシリコ
ン酸化膜を形成しな一通常のＭＮＯ８柵遺で社、正ゲー
ト極性時に轄容易にグーＦから正孔が注入され、注入さ
れた正孔はシリコンに綾するシリコン酸化膜を容易に通
過できる。

また、負ゲート極性時には・シリコンから、シリコンに
接する薄−シリコン酸化膜を通過してシリコン窒化膜に
流れ、グー）まで達するこの面にシリコン酸化膜を形成
することｋよって正孔に対する障壁が形成され、前述８
の劣化を防止することも同時に実現できるものである。

第ｑの利点として、シリコン窒化膜が薄く、部分的に他
の部分よやも薄い部分やピンホールが生じて≠る部分で
も、本発明によるシリコン窒化膜の酸化によ抄、動作可
能な素子を作ることができる点である。即ち、ピンホー
ルが電界効果トランジスタ構造で不揮発性メモリを構成
した場合のゲート下に入って−ればゲート電極からのリ
ーク電流が発生し、記憶素子としてのみならずトランジ
スタとしての機能は果さなくなるが、ピンホールができ
ている個所は、酸化を行うときシリコン表ｍが露出して
いるため、シリコン窒化膜よ勢も１桁以上酸化達度が早
いので、ピンホールはシリコン酸化物で埋められ一すコ
ン階化膜で貫通された状ＭＫなる。シリコン窒化膜上の
シリコン酸化膜を、気相成長で形成する場合も同様の結
果とな抄、ピンホール忙よるシリコン窒化膜のリーク電
流の影響を完全に除去することができる。

（： なお、上記説明ではゲート−絶縁膜−シリコンの基本構
造につ≠て述ぺたが、第４図に示したようにゲート７下
に一部重なるようにソースＳ１ドレイン６領域を基板に
設けて読み出しを容易とした構造をとることができる。

この構造はシリコン基板のみ表らずＳＯＳ基板またはシ
リコン基板上に分離され念シリコン領域上に構成するこ
とができる。本発明ではこれらを総称して第１のシリコ
ン領域と呼ぶ。

以上の説明から明らかなように１本発明の特徴を列挙す
ると （１）　　絶縁膜構成を、シリコン表面からシリコン（
２）　　シリコン窒化膜表面にシリコン酸化膜で障壁を
作ることｋよって、シリコンきら注入されたキャリアの
捕獲確率を高め、書き込み／消去の効率を高める効果が
ある。

□・に （、Ｉ）　　シリコン表面に直接シリコン窒化膜が接し
ているので、従来のＭＮＯＢ　記憶素子に問題であった
シリコンに接するシリコン酸化膜の劣化現象を除去でき
る。

（４）薄膜化されたシリコン窒化膜に、他よりも薄−個
所やピンホールが生じた個所をシリコン酸化膜で埋めて
素子を実際に動作させることができる。

（５）　　シリコン以外の化金物半導体を第１の半導体
領域とした場合、シリコン窒化膜と直接化合物半導体Ｅ
ｌ１着させることにより、従来のＭＮＯＢ　　のように
半導体表面が酸化されな―の５．１で、より安定で電子
的に制御された特性のよ）Ｖい素子が得られる〇 的高速低電圧書き込み／消失が可能な、また、劣化に対
しても強い半導体不揮発性メモリの基本的な構造を提供
するものであり、素子の特性向上に大きく貢献するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のＭＮＯＢ　素子の説明図、第２図は本発
明の実施例の構造略図、第３図は本発明の詳細な説明図
、第ダ図社本発明の他の実施例の構成略図である。 図中、ｌはシリコン基板、コは薄いシリコン酸化膜、３
＃ｆシリコン窒化展、りはシリフン窒化膜中のトラップ
、Ｊ”Ｆ１ソース、６はドレイン、７はゲート、Ｉｎシ
リコン窒化膜上のシリコン酸化膜、？ｔｊシリコン窒化
膜とシリコン窒化膜上のシリコン酸化膜界面付近に形成
されたトラップである。 ；ｔ′１図 ７ ；＋２１￥］ 第３図 シリコン窒化凍上めシリコン醗イｒ喰厚（Ａ）７′４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）第１の半導体領域と、該半導体領域上に設けられ
   たシリコン窒化膜と、該シリコン窒化膜の表面領域ＫＷ
   ＆砂られたシリコン酸化膜と、導電性電極から少くとも
   なることを特徴とす性半導体メモリ。 （３）特許請求の範囲第（１）項記載の不揮発性半導体
   メモリにお−て、前記ゲート下に一部重なる如く、互い
   に離間したソース、ドレイン領域を前記第１の半導体領
   域に設けた仁とを特徴とする不揮発性半導体メモリ。 （４）特許請求の範囲第（１）項記載の不揮発性半導体
   メモＱ　において、前記シリコン窒化膜は部分的にシリ
   コン酸化膜で貰通された構造を有することを特徴とする
   不揮発性半導体メモリ。