JPS613463A - 半導体記憶装置 - 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】 （イ）　産業上の利用分野 本発明は、書き換え可能な不揮発性の半導体記憶装置に
関するものである。

（ロ）　従来技術 電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置の１つ
に、特公゛昭５７第１６７４５号公報に記載されている
容量型のものが従来がら知られてぃる。この容量型半導
体記憶装置は、基体となる半導体層と、第１の絶縁膜と
、＠２の絶縁膜とから成り、第１の絶ｍ嘆と第２の絶縁
膜との界面に多数のトラップレベルを有するものである
。

ところが、前記基体となる半導体層は、単結晶基体にて
形成されていた。一方、単結晶基体は、半導体インボッ
）ｆ輪切りにし、その切断面を研磨することによって得
られるものである。しかるに、半導体インゴットの最大
直径は、現在のところ６インチ程度が限界であって、こ
のような半導体インゴットを輪切りにすることによって
得られる単結晶基体は、その面積、形状ともに著しく制
限される。

したがって、単結晶基体にて半導体層が形成される従来
の半導体記憶装置は、単結晶基体の面積、形状に制限さ
れ、大面積、所望の形状に製作されることが不可能であ
った。このため、たとえば半導体記憶装置をドラム状や
ディスク状に形成するなどして、自由度を持たせ、用途
を拡大する等といったことは実現できなかった。

ビ１　発明の目的 本発明は、基体となる半導体層を非晶質≠導体にて形成
することによって、大面積もしくは所望の形状を持った
半導体記憶装置’ｔ−実現せんとするものである。

に）発明の構成 本発明は、−導電型を有する半導体層と、この半導体層
上に形成された第１の絶縁膜と、この第１の絶縁膜上に
形成された第２の絶縁膜と、を具備し、第２の絶縁膜は
第１の絶縁膜との界面に多数のトラップレベルを有する
半導体記憶装置において、前記半導体層は非晶質半導体
にて形成されていることを特徴とする半導体記憶装置で
ある０（４）実施例 本発明の一実施例を第１図ないし第７図にもとづいて説
明する。まず、第１図はこの実施例の概略構成図であっ
て、この図において、ｍｕ、非晶質半導体層（２）と、
この半導体層（２）上に形成された第１の絶縁膜（３１
と、この第１の絶縁膜（３）上に形成された第２の絶縁
膜（４）とから成る容量型の半導体記憶装置である。そ
して、この半導体記憶装置＋１１の第２の絶縁膜（４）
は、第１の絶縁膜（３−との界面に多数のトラップレベ
ルを有している。また、（５）は半導体層１２＋とオー
ミック接合された共通電極で、（６）Ｆｉ第２の絶縁＠
（４１上を移動する移動電極であって、ここでは、共通
電極（５）は接地され、移動電極＋６１＃′ｉ記録再生
回路（７）に連結されている。この記録再生回路（７）
は、半導体記憶装置口１への情報の書き込み、消去、も
しくはそこからの情報の読み出しを行うものである。

具体的には、半導体層１２）は、大面積もしくは所望の
形状を得ることが容易な非晶質シリコン（以下、ａ−８
１と略称する０）または非晶質ゲルマニウム（以下、ａ
　−Ｇ　、と略称する。）により形成される。また、＠
１の絶縁膜（３Ｉは半導体層（２）を構成するＳｌもし
くはＧ。との酸化物！あって。

第２の絶縁膜１４（はＳｉもしくはＧ。との窒化物であ
る。そして、この窒化物の生成時に、第２の絶縁膜１４
１の第１の絶縁膜（３１との界面［１１、多数のトラッ
プレベルが形成される。　　　　−半導体層（２）には
、この層上に形成される第１の絶縁１１Ｊ！（酸化＠　
）　＋３１との結合を考慮すると、格子整合性に許容度
のあるａ　　Ｓｌやａ　　Ｇ　ｅなどは。

極めて好都合な材料である。ところで、この実施例は、
共通電極＋５１と移動電極（６１との間の静電容量の違
いにより、情報を読み出すものであるので、半導体層（
２）は−導電型を有する低抵抗体であることが望ましい
。このような低抵抗半導体層（２）を形成するためには
、たとえば、ｎ形ａ−８，であれば、５１Ｈ４などの主
成分ガスを含む原料ガスにＰＨ３やＡｓ　Ｈ５等のＶ族
元素ガスを添加してグロー放電反応を行う。すると、Ｐ
やＡＢ等のＶ族元素がドープされた低抵抗ｎ型非晶質半
導体層１２）が容易に形成される。もちろん、ｎ型に限
らず、Ｐ型であるとＢ２Ｈ６等の■族元素ガスを添加す
ることによって、Ｂなどの■族元素がドープされた低抵
抗Ｐ型非晶質半導体層＋２１が実現される。また、Ｓｉ
に限らず、Ｇｏについても同様である。

第１の絶縁膜（以下、酸化膜と称する。月３１は、半導
体層（２）を構成するＳｌもしくはＧ、との酸化物であ
って、この酸化＠（３Ｉの一般的な形成法は、半導体ｒ
＠　Ｉ’ｌ＋の表面？酸素Ｗ１ｍ気中で熱酸化するもの
である。また、この酸化膜（３１は、半導体層（２）を
構成する物質を含む原料ガスに酸素ガスを含ませて、グ
ロー放電を行うことによっても形成され得るりこの、グ
ロー族ｔによる酸化膜形成法によると、酸化膜形成工程
を、非晶質半導体層形成工程に連続して行うことができ
る。なお、酸化膜［３１の厚みは、トンネル効果を生じ
させるために、２００Ａ以下にすることが好ましい。

第２の絶縁膜（以下、窒化膜と称する。］（４）は、半
導体層（２１を構成するＳ、もしくはＧ。との窒化物で
あって、一般的ＶＣは、この窒化膜ｔ４１は気相成長等
によって形成される。１また、窒化膜（４）形成をグロ
ー放電にて行うことも可能であって、このグロー放電に
よると、窒化膜形成工程が酸化膜形成工程に連続して行
える。′ｆｒ、お、窒化＠（４）は、酸化膜（３１との
界面に多数のトラップレベルが生じるように形成されて
いる０そして、この実施例においては、窒化ＩＩＩ！！
１４＋には、わずがなから不純物レベルが存在している
０また窒化膜（４）の厚みは、数１００Ａ程度が好適で
ある。

共通電極（５）は、半導体層＋２１とオーミック接合さ
れたものであって、その材料としては、Ａｔ、Ｎ１、Ｃ
ｕ　−Ａ　ｇ　−Ａ　ｕなどの金属か用いられる。

移動電極（６；は、半導体記憶装置（１）が、ドラム状
やディスク状に形成されているときには、大輪有効なも
のであって、窒化膜（４）上を移動しながら、情報の書
き込み、消去、読み出しを行うことが可能である。また
、この移動電極（６１については、用途に合せて種々の
構成にすることができて、たとえば、第２図（イ）、（
ロ）、Ｐｌに示すようなものが考えられる。

イ）、移動電極（６１が窒化膜＋４１上を直接移動する
ものり （ロ）、移動電極（６）が、窒化膜（４）とオーミック
接合された個々の分割電極＋８１ｆＲ１・・・上を移動
するもの０１７Ｎ、移動電極（６１が存在せず、分割電
極＋ＦＩＩＩＦｌｊ　’・・だけのもの。

次に、第３図ないし第７図を参照しつつ、この実施例の
動作を説明するが、ここでは、半導体層（２）がｎ型の
ものについて説明する。まず、第３図１４１、仲１は半
導体記憶装置１１１のエネルギー帯図であって、け）は
移動電極１６；に正電圧（Ｖ、）を印加したとき、（ロ
）は移動電極（６：に負電圧（ＶｏＪを印加したときの
ものであるっそして、これらの図において、（ｔｆ　ｍ
　）、（ＥｆｉＪは夫々移動電極＋６１および半導体層
（２）のフェルミレベルを示す。また、（９（は窒化膜
（４）の界面に形成された多数のトラップレベル全、１
ｌｌＪｉｃ窒化ｉ＋４１に若干存在するドナレベルを夫
々示す。なお、この例においては、窒化膜（４）の界面
に存在する電子のトラップレベル（９）のうち、特に深
いレベルのものが、不揮発性容量型半導体記憶装置の動
作において、重要な働きを果たす０ 共通電極＋５１は接地されており、まず、移動電極（６
）に正電圧（ｖ、）ｆｆ：印加すると、酸化膜（３１に
大きな電界がかけられるために、酸化膜（３１を通して
、半導体層＋２１から窒化膜（４１に、電子が電界放射
される。一方、窒化＠（４１においても、若干存在する
ドナが同時に移動電極（６）に向けて移動する。しかし
、このとき、移動電極（６）に向けて移動するドナに比
して、半導体層（２）から窒化膜１４１Ｖｃ注入される
電子の方が大であって、このため、トラップレベル（９
１には電子が捕獲される。しかして、この状態において
、移動電極（６）に印加されている正電圧（Ｖｌ）を−
気に除去すると、電子が深いトラップレベルに捕獲され
た状態で取り残されるりしたがって、この状態では、半
導体層（２）の酸化＠（３）との界面域には、Ｐ型反転
層が生じる。このため、Ｐ型反転層と、半導体層１２１
のｎ型領域との間に空乏層が発生し、空乏層容量が生成
される。

次に、移動電極（６）に負電圧（ｖｏ）を印加すると、
今度は、正電圧（ｖｌ）を印加し次場合とは逆の動作に
よって、トラップレベル（９）から半導体層（２）に電
子が放出され、トラップレベル（９）には正孔が残され
る。そして、この状態で、移動電極（６）に印加されて
いる負電圧（ＶｏＪｅ−気に除去するト、トラップレベ
ル（９；には電子が存在せず、正孔が残された状態が維
持される。し友がって、半導体層１２１の酸化膜１３＋
との界面域には、電子が蓄積されるために、空乏層は存
在せず、よって、空乏層容量は存在しない。

なお、トラップレベル（９）に捕獲される界面電荷（Ｑ
□〕は、トラップレベル（９）のレベル深す、密度、も
しくは窒化膜（４）の絶縁程度などによっても４ｚるが
、実験によれば、ある程度の電圧（数ポル））以上では
、＠４図に示すような特性が得られる。ところで、この
図において、（Ｑｌｌ）は移動電極（６）に正電圧（Ｖ
、）が印加されたときに、ドラッグレベル（９）に捕獲
される界面電荷であり、（Ｑ□。ンは移動電極（６）に
負電圧（ｖｏ）が印加されたとき゛のそれである。

また、移動電極（６）に印加される正電圧（Ｖ、）もし
くは負電圧（ｖｏ）が、除去されたときにトラップレベ
ル（９）に捕獲保持される界面電荷を夫々（ＱｌｌＪ、
（Ｑｌ。辰する。そして、これら夫々の状態での、半導
体記憶装置（１）のエネルギー帯図を第５図中、１０１
に示す。ここで、Ｑ；、はＱ工、と、ＱＩ。はＱ工。と
略等しい値を取り、第いては空乏層は存在しない。しか
して、移動電極（６）と共通電極（５）との間の全静電
容量を（Ｃｔ）、窒化膜（４）と酸化＠（３１との合成
容量を（ＣＮｏ）、空乏層容量’ｒ（０８）とする。な
お、ドラッグレベル１９１に捕獲されている界面電荷が
（Ｑ手、Ｊのときを書き込み状態ゝゝ１“、（Ｑｌ。〕
のときを消去状盤ゝゝ０“とする。すると、１１１　／
′もしくはゝゝ０“の各状態における半導体記憶装置ｆ
ｉ＋の等価図は第６図に示すものとなるつしたがって、
１“の状態（書き込み］では、全静電容量（Ｃ２）は、
合成容量（ＣＮＯ）と空乏層容量（Ｃ８Ｊとを直列接続
したものに等しく、０“の状■（消去〕では、全静電容
量（Ｃ１）は合成容量（ＣＮＯ）に等しい。

次に、半導体記憶装置＋１１への情報の書き込み、消去
、およびそこからの情報の読み出しについて説明する。

まず、情報の書き込み、消去については、移動電極（６
）と共通電極＋５＋との間に、正電圧（Ｖ、Ｊもしくは
負電圧（ＶｏＪの所定幅の電圧パルスを印加することに
よって実現てきる。なお。

このとき、印加される電圧パルス（ｖｌ）、（Ｖ。）社
、半導体記憶装置（１）全定常状態にするだけの時間輻
會有している必要がある。また、半導体記憶装置＋１１
が、ディスク状もしくはドラム状等に形成されていると
きには、それらの各記憶トラック上において、移動電極
（６）を移動させて、順次に電圧パルス（Ｖ、］、もし
くは（ｖｏ）を印加することによって、情報の書き込み
、消去が可能である。

次に、情報の読み出しについて、その−例’＋第７図に
もとづいて説明する。この図において、（ＩＩは半導体
記憶装置であって、前述のように、その記憶状態に応じ
て所定の静電容量を持つ。そして、ａｌｌは半導体記憶
装置［１［直列に連結されたインダクタンスで、１１ｚ
はインダクタンスａＤの他端に連結されｔ基準発振器で
あって、半導体記憶装置Ｉ　＋１１と、インダクタンス
Ｃ１Ｄと、基準発振器ａ２とで、共振回路ａ３が構成さ
れている。一方、　（１４１は、共振回路（１３１に入
力を連結され几ダイオードで、ａ５１ｈ、このダイオー
ド（１４）の出力に入力を連結されたピーク検出回路で
ある。しかして、半導体記憶装置１１＋の記憶状態１１
“もしくはゝ１０”を、その容量の違いによる共振状態
の変化（振幅変化］として、ピーク検出回路（１５にで
読み取る。

なお、半導体記憶装置（１）に印加される情報読み取り
時の交番電圧については、半導体記憶装置（ＩＩの記憶
状態を破壊することがないように、十分に小さく（たと
えば、数ｍｖ〜数１０Ｄａ＋ｖ程度すする必要がある。

（へ）発明の効果 本発明は、半導体層と、第１の絶縁膜と、第２の絶縁膜
とを具備し、第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との界面に多
数のトラップレベルを有する半導体記憶装置において、
その基体となるべき前記半導体層を非晶質半導体にて形
成したものである。

したがって、基体となる前記半導体層を、大面積かつ所
望の形状に形成することができるので、大面積、所望の
形状の半導体記憶装置を得ることができる。よって、た
とえば、用途に自由度のあるディスク状やドラム状等の
大容量の半導体記憶装置ヲ、低コストで容易に製作する
ことが可能である０ なお、このような半導体記憶装置の記録密度としては、
１０１０ピツト／７！　　以上の高密度記録が、理論上
可能であって、垂直磁化記録の限界である１０　　゛ １０〜１０　ビット／傭の記録密度を超えるもので、あ
る。したがって、磁気ディスク等に比して高密度記録が
可能であって、大面積でかつ大容量、所望の形状の半導
体記憶装置を実現でき、本発明の持つ意義は大なるもの
である。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明の一実施例を示すものであって、 第１図は概略構成図、第２図イ１、（ロ）、Ｈは移動成
極の各種構成図、第３図４）、１０）はエネルギー帯図
、第４図はトランプレベルに捕獲される電荷の電圧−甫
、侍量図、４５図イ）、１口１は書き込み、消去状態に
おけるエネルギー帯図、第６図は等側口、第７図は読み
出し回路図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一導電型を有する半導体層と、この半導体層上に形
   成された第１の絶縁膜と、この第１の絶縁膜上に形成さ
   れた第２の絶縁膜と、を具備し、第２の絶縁膜は第１の
   絶縁膜との界面に多数のトラップレベルを有する半導体
   記憶装置において、前記半導体層は非晶質半導体にて形
   成されていることを特徴とする半導体記憶装置。 ２、前記半導体層は非晶質シリコンを主成分とし、周期
   律表におけるIII族もしくはＶ族の元素を添加してなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体記
   憶装置。 ３、前記半導体層は非晶質ゲルマニウムを主成分とし、
   周期律表におけるIII族もしくはＶ族の元素を添加して
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導
   体記憶装置。 ４、前記第１の絶縁膜は前記半導体層の主成分との酸化
   物にて形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第３項記載の半導体記憶装置。 ５、前記第２の絶縁膜は前記半導体層の主成分との窒化
   物にて形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第３項記載の半導体記憶装置。 ６、前記半導体記憶装置はドラム状に形成されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項記載
   の半導体記憶装置。 ７、前記半導体記憶装置はディスク状に形成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項記
   載の半導体記憶装置。