KR20070022682A - Nonvolatile semiconductor storage element having high charge holding characteristics and method for fabricating the same - Google Patents

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미츠마사 코야나기
마사아키 다카타
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아사히 가라스 가부시키가이샤
미츠마사 코야나기
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Abstract

종래의 부유 게이트형 불휘발성 반도체 기억 소자는, 전하 유지 특성이 낮고, 그것을 보충하기 위한 대책으로서 터널 절연막 및 게이트 산화막의 두께를 필요 충분적으로 두껍게 하는 방법이 취해지고 있었다. 그러나 이 결과, 동작 속도의 고속화나 기억 용량의 고밀도화 등의 실현이 곤란하다는 과제가 있었다. Conventional floating gate type nonvolatile semiconductor memory devices have low charge retention characteristics, and as a countermeasure for replenishing them, a method of sufficiently thickening the thickness of the tunnel insulating film and the gate oxide film has been taken. As a result, however, there has been a problem that it is difficult to realize such an increase in the operating speed or a higher density of the storage capacity.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 불휘발성 반도체 기억 소자에 있어서는, 전하를 유지하는 부유 게이트로서 높은 일함수 또는 높은 전자 친화력의 재료, 또는 반도체 기판 또는 제어 게이트의 일함수 차가 작은 재료를 이용하고, 나아가 모상 절연체로서 전자 친화력이 작은 비정질 재료를 이용한다. 또한, 전하 유지층 막 형성시의 초미립자 재료와 모상 절연체 재료의 공급비, 예를 들어 스퍼터링법에 있어서의 타겟의 양상의 재료 혼합비를 조절하여 초미립자의 외각 간격 거리를 최적화한다. 이에 따라, 부유 게이트형 불휘발성 반도체 기억 소자의 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 특성을 향상시키고, 또 재기록 특성이나 다치 기억 동작을 안정화시킬 수 있고, 아울러 종래의 불휘발성 반도체 기억 소자의 상기 과제를 해결할 수 있게 된다. In order to solve the above problems, in the nonvolatile semiconductor memory device, a material having a high work function or a high electron affinity or a material having a small work function difference between a semiconductor substrate or a control gate is used as a floating gate for holding charge. As the mother insulator, an amorphous material having a small electron affinity is used. In addition, the supply ratio of the ultrafine particle material and the parent insulator material at the time of forming the charge holding layer film, for example, the material mixing ratio of the aspect of the target in the sputtering method is adjusted to optimize the outer interval distance of the ultrafine particles. As a result, the charge retention characteristics of the floating gate type nonvolatile semiconductor memory element at room temperature and high temperature can be improved, and the rewrite characteristics and multi-value memory operation can be stabilized. The problem can be solved.

전하 유지 특성, 반도체, 기억 소자 Charge retention characteristics, semiconductors, memory devices

Description

높은 전하 유지 특성을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자 및 제조 방법{NONVOLATILE SEMICONDUCTOR STORAGE ELEMENT HAVING HIGH CHARGE HOLDING CHARACTERISTICS AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}Nonvolatile semiconductor memory device having high charge retention characteristics and manufacturing method {NONVOLATILE SEMICONDUCTOR STORAGE ELEMENT HAVING HIGH CHARGE HOLDING CHARACTERISTICS AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은, 불휘발성 반도체 기억 소자 및 제조법에 관한 것으로, 자세하게는, 1 종 이상의 단원소 물질 또는 화합물로 이루어지는 초미립자가 모상 절연체 중에 고밀도로 분산된 구조에 관한 것이다. 그리고, 상기 초미립자와 상기 모상 절연체의 일함수 또는 전자 친화력을 최적화하는 것, 또는, 인접하는 초미립자의 외각 간격 거리를 최적화하는 점에서, 우수한 유지 특성의 전하 유지층을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자와, 저렴하고 재현성이 양호한 상기 소자의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method, and more particularly, to a structure in which ultra-fine particles composed of at least one single element material or compound are dispersed at high density in a mother-like insulator. And a nonvolatile semiconductor memory device having a charge holding layer having excellent retention characteristics in optimizing the work function or electron affinity between the ultrafine particles and the parent insulator, or optimizing the outer gap distance of adjacent ultrafine particles; The present invention relates to a method for manufacturing the device, which is cheap and has good reproducibility.

종래, 대용량의 데이터를 기억하고 재기록할 수 있는 기록 매체로서 DRAM, SRAM 등의 반도체를 이용한 기억 소자, 또는 하드 디스크, 광자기 디스크, 광 디스크 등의 회전 디스크형 기록 매체가 있고, 이들을 이용한 시스템이 개발되어 사용되어 왔다. 이 중, 데이터 기록, 판독 속도가 빠르고 고집적화가 용이하다는 등의 특징을 갖는 DRAM 은, PC 등의 일시 기억 소자로서 널리 이용되어 왔다. 그러나, 메모리에 있어서 치명적인 데이터의 휘발성 (외부로부터의 전원 공급을 정 지하면 유지하고 있던 기록이 소멸되는 점) 이라는 단점을 갖기 때문에, 기록 유지를 위해서는 외부로부터의 전원 공급이 필요하고 그것에 의해 소비 전력이 증대된다. 이 단점은, 특히 전원을 전지 등에 의지하는 휴대 정보 단말 기기를 사용하는 경우에는 매우 불리한 것이다.Conventionally, as a recording medium capable of storing and rewriting a large amount of data, there is a storage element using a semiconductor such as DRAM or SRAM, or a rotating disk type recording medium such as a hard disk, magneto-optical disk, or optical disk. It has been developed and used. Among them, DRAMs having characteristics such as fast data writing and reading speeds and easy high integration have been widely used as temporary storage elements such as PCs. However, since the memory has the disadvantage of volatility of fatal data (points held by extinguishing power supply from the outside), power supply from the outside is required for recording and thus power consumption. Is increased. This disadvantage is particularly disadvantageous when using a portable information terminal apparatus that relies on a power source for a battery or the like.

한편, 하드 디스크 시스템 등에서는 데이터의 휘발성은 갖지 않지만, 기록, 판독 속도가 늦고 또 소비 전력이 비교적 크다. 또 기기 구조상, 기계적 진동이나 충격에 약하다는 결점이 있다. 이들 결점도 역시 휴대 단말 기기에 이용하는 것은 매우 부적합한 것이다.On the other hand, in a hard disk system or the like, the data is not volatile, but the writing and reading speed is slow and the power consumption is relatively large. In addition, there is a drawback in that the structure of the device is weak to mechanical vibration and impact. These drawbacks are also very unsuitable for use in portable terminal devices.

최근의 휴대형 전자 정보 단말기기 시장의 확대에 수반하여, 이 휴대 단말 기기에 있어서 이용되는 기억 매체로서 불휘발성을 갖고, 고기억 밀도, 고속 기록, 고속 판독, 또는 휴대시의 기계적 진동이나 충격에 의해서도 안정된 동작을 행할 수 있다는 등 사용하기 편리하고, 또 소비 전력이 낮고, 더욱이 종래의 반도체 제조 기술을 이용하여 용이하며 저렴하게 제조할 수 있는 기억 매체의 출현이 기대되고 있다.With the recent expansion of the portable electronic information terminal device market, it is nonvolatile as a storage medium used in this portable terminal device, and has a high memory density, a high speed recording, a high speed reading, or a mechanical vibration or shock when carrying. The emergence of a storage medium that is convenient to use, such as stable operation, low power consumption, and which can be manufactured easily and inexpensively using conventional semiconductor manufacturing techniques is expected.

상기의 요구 사항을 만족시키는 기억 매체로서 플래시 메모리, 강유전체 메모리, MRAM (Magnetic Random Access Memory), 상변화 메모리 등의 불휘발성 반도체 기억 소자가 기대되고 있고, 이들은 현재 개발 단계 내지 일부 실용 단계에 있다.Nonvolatile semiconductor memory devices such as flash memory, ferroelectric memory, magnetic random access memory (MRAM), phase change memory, and the like are expected as storage media that satisfy the above requirements, and these are currently in a development stage to some practical stages.

이들 불휘발성 메모리에는 각각 장단점이 있다. 예를 들어, MRAM 은 기록 속도가 빠르다는 점이나 재기록 가능 횟수가 많다는 등 우수한 점이 많고, DRAM 의 치환 메모리로서 가장 유력한 후보 중 하나라고 말해진다. 그러나, 기억 소자의 기본 구조가 트랜지스터와 자기 저항 소자 중 2개로 이루어지는 복잡한 구성인 점, 자기 저항 소자의 터널 절연막 두께의 편차에 대한 요구가 까다롭다는 점, 자기 저항 소자를 미세화할수록 자계의 반전에 요구되는 외부 자계가 증대되어 큰 재기록 전류가 필요하다는 점 등을 과제로서 들 수 있다.Each of these nonvolatile memories has advantages and disadvantages. For example, MRAM has many advantages, such as a fast writing speed and a large number of rewritable times, and is said to be one of the most promising candidates for DRAM replacement memory. However, the basic structure of the memory element is a complicated structure consisting of two transistors and a magnetoresistive element, the demand for variation in the thickness of the tunnel insulation layer of the magnetoresistive element is difficult, and the finer the magnetoresistive element, the more the reversal of the magnetic field. The problem is that the required external magnetic field is increased and a large rewrite current is required.

한편, 플래쉬 메모리의 메모리 셀은 기본적으로 트랜지스터 1 개로 구성되어 있고, 구조가 단순하기 때문에 셀 사이즈를 작게 할 수 있으며, 또 종래의 DRAM 프로세스 기술을 이용하여 고집적화 메모리를 비교적 저렴하게 제조할 수 있다. 이러한 이유에서, 플래쉬 메모리는 이미 현재, 휴대 정보 단말 기기용 메모리로서 큰 시장을 형성하고 있다. 최근, 반도체 소자의 고속화, 고집적화가 추진되고 있지만, 이 흐름을 따라 플래쉬 메모리에 있어서도 소자의 미세화, 고속화, 전하 유지 특성의 향상 등, 고성능화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, the memory cell of the flash memory is basically composed of one transistor, and since the structure is simple, the cell size can be reduced, and the highly integrated memory can be manufactured relatively inexpensively using the conventional DRAM process technology. For this reason, flash memory has already formed a large market as a memory for portable information terminal devices at present. In recent years, high speed and high integration of semiconductor devices have been promoted, but researches for high performance, such as miniaturization, high speed, and improvement of charge retention characteristics, have been actively conducted in flash memories.

현재 이미 시장에 널리 유통되고 있는 플래쉬 메모리에 있어서, 이 중 NOR 형 플래쉬 메모리를 예로 들면, 이것은 지정된 메모리 셀의 유지 데이터의 판독 동작이 100ns (나노 초) 정도 또는 그 이하의 비교적 짧은 시간에 고속으로 실시된다.In the flash memory which is already widely distributed in the market now, of which NOR type flash memory is taken as an example, this means that the read operation of the maintenance data of a designated memory cell is performed at a high speed in a relatively short time of about 100 ns (nanoseconds) or less. Is carried out.

한편, 데이터 기록은 채널로부터 부유 게이트로의 채널 핫 일렉트론 (CHE) 주입에 의해, 또 데이터의 소거는 부유 게이트로부터 채널 형성 영역 또는 소스 영역으로의 Fowler-Nordheim (FN) 터널 전류에 의한 전하 방출에 의해 행해진다. CHE 주입은, 전하 이동 속도는 빠르지만 전하 주입 효율 (공급 전류에 대한 주입 전류의 비율) 이 낮고, 또 FN 터널 전류에 의한 전하 방출은 전하 이동 속도가 늦기 때문에 모두 재기록 동작에 시간을 요한다.On the other hand, data recording is performed by channel hot electron (CHE) injection from the channel to the floating gate, and data erasing is caused by discharge of charge by Fowler-Nordheim (FN) tunnel current from the floating gate to the channel forming region or source region. Is done by. The CHE implantation takes time for the rewrite operation because the charge transfer rate is fast but the charge injection efficiency (the ratio of the injection current to the supply current) is low, and the charge release by the FN tunnel current is slow.

구체적으로는, 기록에는 1㎲ (마이크로 초) 대, 소거에는 수백 ms (밀리 초) 내지 수 s (초) 대의 비교적 긴 시간이 요구된다. 이 때문에, 플래쉬 메모리의 대용량화나 저비용화 등이 비교적 용이함에도 불구하고, 그 용도가 한정되며, DRAM 등 고속 메모리에 대한 치환은 어려운 상황에 있다.Specifically, a relatively long time is required for recording of 1 ms (microseconds) and erasing for several hundred ms (milliseconds) to several s (seconds). For this reason, the use of the flash memory is relatively easy, but the use thereof is limited, and replacement of a high speed memory such as DRAM is difficult.

이 결점을 극복하여 재기록 시간의 단축화를 도모하기 위해, 예를 들어 재기록에 요구되는 시간에 크게 영향을 미치는 터널 절연막의 물리적인 두께를 얇게 하는 방법도 고려할 수 있다. 그러나 이 터널 절연막인 산화막을 얇게 하면, 부유 게이트의 대전시에는 터널 절연막에 그 막두께에 반비례한 매우 강한 전계가 가해지므로, 재기록 동작의 반복에 의해 산화막을 전하가 여러번 통과하는 것에 의한 스트레스가 발생하고, 산화막이 절연 파괴를 일으키기 쉬워진다.In order to overcome this drawback and to shorten the rewriting time, a method of thinning the physical thickness of the tunnel insulating film, which greatly affects the time required for rewriting, for example, can be considered. However, when the oxide film serving as the tunnel insulating film is thinned, a very strong electric field inversely proportional to the film thickness is applied to the tunnel insulating film during charging of the floating gate, so that the stress caused by the passage of the charge through the oxide film many times is caused by the rewriting operation. The oxide film is likely to cause dielectric breakdown.

터널 절연막 중 어느 1 지점에서라도 절연 파괴가 발생하면, 부유 게이트에 유지되어 있는 전하의 대부분이 리크되고, 이후 그 메모리 셀은 데이터 유지 능력을 상실한다. 따라서, 현 상황에서는 전하 유지의 신뢰성을 유지하기 위해 터널 절연막을 두껍게 하지 않을 수 없고, 재기록 시간의 단축화가 어렵다. 또 산화 막두께와 소자 전체의 치수는 상사적(相似的)으로 축소된다는 법칙이 있기 때문에, 소자 전체의 미세화를 방해하고 있다.If dielectric breakdown occurs at any one point of the tunnel insulating film, most of the charge held in the floating gate is leaked, and then the memory cell loses the data holding capability. Therefore, in the present situation, the tunnel insulating film must be thickened in order to maintain the reliability of charge retention, and it is difficult to shorten the rewrite time. Moreover, since there is a law that the oxide film thickness and the dimension of the whole element are similarly reduced, it hinders the miniaturization of the whole element.

또한, 기억 소자의 고밀도화에 의해, 인접하는 소자의 부유 게이트간의 거리가 좁아지고, 인접 부유 게이트간의 용량 결합이 강해진다. 이에 따라, 판독, 기록의 각 동작시에 오동작을 일으키기 쉽다는 점이 지적되고 있다. 이 용량 결합의 영향은 특히 NAND 형 플래쉬 메모리에 있어서 현저하다.In addition, by increasing the density of the memory elements, the distance between the floating gates of adjacent elements becomes narrower, and the capacitive coupling between adjacent floating gates becomes stronger. Accordingly, it has been pointed out that malfunctions are likely to occur during each operation of reading and writing. The effect of this capacitive coupling is especially noticeable for NAND type flash memories.

이로부터, 현상의 벌크 부유 게이트형 플래쉬 메모리 소자의 미세화, 고밀도화는 향후 급격히 곤란해지고, 빠르면 2007 년경에는 미세화는 한계에 도달할 것으로 말해진다.From this, it is said that the miniaturization and densification of the bulk floating gate type flash memory device of development are rapidly difficult in the future, and the miniaturization will reach a limit as early as 2007.

고속 동작을 유지하면서 절연 파괴에 의한 전하 유지 능력의 저하를 막고, 또한 인접 소자의 부유 게이트간의 기생 용량의 영향을 저감시키는 수단으로서 전하를 공간적으로 이산시켜 유지하는 방법이 있고, 이 방법을 이용한 불휘발성 반도체 메모리에 MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) 메모리, 또는 SONOS (MONOS 메모리에 있어서 게이트 전극의 재료가 금속에서 반도체로 치환된 것; 전극 재료로서 구체적으로는 예를 들어 다결정 Si 가 사용된다) 가 있다.As a means of preventing the degradation of charge holding ability due to dielectric breakdown while maintaining high speed operation and reducing the influence of parasitic capacitance between floating gates of adjacent devices, there is a method of spatially distributing charge and holding it. MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor) memory in volatile semiconductor memory, or SONOS (In the case of MONOS memory, the material of gate electrode is substituted from metal to semiconductor; specifically, for example, polycrystalline Si Is used).

예를 들어 도 4 에 나타내는 바와 같이 터널 절연막 (2) 과, 그 위에 부유 게이트 대신에 전하 유지층 (3) 인 SiNx 막이 적층된 구조로 되어 있고, 그 계면에 존재하는 계면 준위 (3a3) 및 SiNx 막 중에 이산적으로 분포되는 트랩 준위 (3a4) 에 전하를 유지시키는 메모리이다. 또한, 도 4 에 있어서, 1 은 p 형 반도체 기판, 4 는 게이트 절연막, 5 는 제어 게이트 전극, 6 은 소스 영역, 7 은 드레인 영역이다.For example, Figure 4 described as a tunnel insulating film (2) and, above the charge holding layer (3) in place of the floating gate shown in the SiN x film and is in the laminated structure, the interface state (3a3) that exist in the interface, and It is a memory for keeping charge at a trap level 3a4 distributed discretely in a SiN x film. 4, 1 is a p-type semiconductor substrate, 4 is a gate insulating film, 5 is a control gate electrode, 6 is a source region, and 7 is a drain region.

전하를 유지하는 계면준위 (3a3) 및 트랩 준위 (3a4) 가 공간적으로 이산하여 분포하기 때문에, 전술한 터널 절연막 (2) 중 어느 1 개소에서 절연 파괴가 발 생한다고 해도 그에 의한 전하 리크는 국소적으로밖에 발생하지 않고, 절연 파괴의 발생 전후에 있어서 메모리 셀의 전하 유지 능력은 크게는 변화하지 않는다.Since the interface levels 3a3 and trap levels 3a4 holding charges are distributed discretely in space, even if dielectric breakdown occurs in any one of the above-described tunnel insulating films 2, the charge leakage due to them is local. Only occurs, and the charge retention capability of the memory cell does not change significantly before or after occurrence of dielectric breakdown.

이러한 이유에서, MONOS 메모리는 현상의 벌크 부유 게이트형 플래쉬 메모리에 대하여 재기록 횟수 면에서 우수하고, 또 터널 절연막의 물리적 두께도 비교적 얇게 할 수 있다는, 메모리 셀의 미세화 등의 점에서도 유리하다고 되어 있다. 그러나, SiNx 막의 트랩 준위의 깊이 (전자에 대해서는 트랩 준위와 전도대 하단의 에너지 차, 정공에 대해서는 트랩 준위와 가전자띠 상단의 에너지 차) 가 반드시 충분하지 않다는 등의 이유에 의해, 일단 트랩된 전하가 빠져나가기 쉽고, 절대적인 전하 유지 능력 (절연 파괴가 전혀 발생하지 않는, 정규인 상태의 소자가 갖는 전하 유지 능력인 것) 은 낮다는 결점이 있다.For this reason, the MONOS memory is advantageous in terms of miniaturization of the memory cell, which is superior in terms of the number of rewrites to the developed bulk floating gate type flash memory, and that the physical thickness of the tunnel insulating film can be relatively thin. However, the charge trapped once due to the fact that the depth of the trap level of the SiN x film (the energy difference at the bottom of the conduction band for electrons and the energy difference at the top of the valence band for holes) is not necessarily sufficient. Is easy to escape, and the absolute charge holding ability (that is, the charge holding ability of a device in a normal state in which no dielectric breakdown occurs at all) is low.

한편, MONOS 메모리와 동일하게 전하를 이산적으로 유지시킴으로써, 산화막의 절연 파괴 문제나 인접 부유 게이트간의 용량 결합 문제에 대처하고, 또한 MONOS 메모리보다 절대적인 전하 유지 능력을 높이는 방법으로서 부유 게이트를 Si 의 초미립자로 하여, 그 Si 초미립자를 게이트 절연막 중에 다수 분산시키는 형태를 생각할 수 있다. 도 5 에 Si 초미립자를 갖는 반도체 기억 소자의 예를 나타낸다. 또한, 도 5 에 있어서 Si 초미립자 (3a1) 이외에, 소자 중의 다른 부호로서 도 4 와 동일 부호인 것은 도 4 와 동일한 요소를 나타낸다. 이 형태의 메모리에 대해서는 예를 들어, 일본 공개특허공보 평11-186421호에 기재되어 있고, 이 공보에서는 도 5 에 나타내는 바와 같이 터널 절연막 (2) 위에, CVD 법에 의해 형성된 다수의 Si 초미립자 (3a1) 로 구성되는 부유 게이트를 형성하고, 그 주위를 게이트 절연막 (4) 으로 덮는 구조가 기재되어 있다.On the other hand, by maintaining charge discretely in the same way as MONOS memory, it is possible to cope with the problem of dielectric breakdown of the oxide film and the capacitive coupling problem between adjacent floating gates, and to increase the absolute charge retention capability of MONOS memory. As a result, a form in which a large number of the Si ultrafine particles are dispersed in the gate insulating film can be considered. 5 shows an example of a semiconductor memory device having Si ultrafine particles. 5, the same code | symbol as FIG. 4 as another code | symbol in an element other than Si ultrafine particle 3a1 shows the same element as FIG. This type of memory is described, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-186421. In this publication, as shown in Fig. 5, a large number of Si ultrafine particles formed on the tunnel insulating film 2 by the CVD method ( The structure which forms the floating gate which consists of 3a1), and covers the circumference | surroundings with the gate insulating film 4 is described.

부유 게이트가 진성 반도체 (불순물을 함유하지 않는다) 인 Si 초미립자인 경우, 주입된 전자는 Si 의 전도대 준위에 트랩되고, 그 전자에서 본 포텐셜 장벽의 높이는 초미립자를 둘러싸는 산화막인, 예를 들어 전도대의 하단과 Si 의 전도대의 하단의 차, 즉 Si 와 산화막의 전자 친화력의 차가 된다. 이 포텐셜 장벽은 상기 MONOS 메모리의 SiNx 막 중의 트랩이 형성되는 장벽보다 통상 깊기 때문에, 트랩된 전자는 반도체 기판이나 제어 게이트 전극으로 빠져나가기 어렵고, 즉 전하 유지 능력은 MONOS 메모리보다 높아진다.If the floating gate is an Si ultrafine particle which is an intrinsic semiconductor (contains no impurities), the injected electrons are trapped at the conduction band level of Si, and the height of the potential barrier seen from the electron is the oxide film surrounding the ultrafine particle, for example, The difference between the lower end and the lower end of the conduction band of Si, that is, the difference between the electron affinity between Si and the oxide film. Since this potential barrier is usually deeper than the barrier in which the traps in the SiN x film of the MONOS memory are formed, trapped electrons are less likely to escape to the semiconductor substrate or control gate electrode, i.e., the charge retention capability is higher than that of the MONOS memory.

그러나, 이 포텐셜 장벽 높이의 관점에서는, 초미립자를 구성하는 재료로서 Si 가 최선의 재료라고는 할 수 없다. 도 1(a) 는 Si 의 초미립자가 전자를 유지한 상태에 있어서의 에너지 레벨의 개략도이다. 여기서, 1 은 p 형 반도체 기판, 2 는 터널 절연막, 3a1 은 Si 초미립자, 4 는 게이트 절연막, 5 는 제어 게이트, 9 는 전자, 10a 와 10b 는 각각 Si 초미립자와 터널 절연막의 전도대 하단 준위, 12 는 포텐셜 장벽이다. 주입된 전자 (9) 는 Si 초미립자의 전도대 하단 준위 (10a) 에 트랩된다. 이 경우의 전자 (9) 에서 본 포텐셜 장벽 (12) 은, Si 초미립자 (3a1) 와 터널 절연막 (2) 의 계면에 있어서의, 터널 절연막의 전도대 하단 준위 (10b) 와 Si 초미립자의 전도대 하단 준위 (10a) 의 차, 즉 산화막의 전자 친화력과 Si 초미립자의 전자 친화력의 차가 된다. 한편, 초미립자가 금속 인 경우에 있어서의 에너지 레벨 개략도를 도 1(b) 에 나타낸다. 11a 는 금속 초미립자의 페르미 준위이며, 이 밖의 부호로 도 1(a) 와 동일 부호는 도 1(a) 와 동일한 요소를 나타낸다. 이 경우, 전자는 금속 초미립자의 페르미 준위 (11a) 에 트랩되고, 이 경우의 포텐셜 장벽 (12) 의 높이는, 금속 초미립자와 터널 절연막의 계면에 있어서의, 터널 절연막의 전도대 하단 준위 (10b) 와 금속 초미립자의 페르미 준위 (11a) 의 차, 즉 금속의 일함수와 산화막의 전자 친화력의 차가 된다. 대부분의 금속의 일함수는 Si 의 전자 친화력보다 큰 값이기 때문에, Si 가 산화막 중에서 형성하는 포텐셜 장벽은 금속의 경우보다 낮다. 도 6 은, 부유 게이트로서 Si, W 및 Co 를 이용한 경우인, 각 재료의 부유 게이트에 유지된 전자가 포텐셜 장벽인 SiO2 막을 통하여 터널링하는 확률을 이론적으로 계산한 결과를 나타내는 도면이다. 또한, Si 의 전자 친화력은 4.1eV, W 및 Co 의 일함수는 각각 4.6eV, 5.0eV, SiO2 의 전자 친화력은 1.0eV 로서 계산하였다. 따라서, 부유 게이트가 Si, W 및 Co 의 경우인, 부유 게이트에 유지된 전자에 대한 포텐셜 장벽의 높이는 각각 3.1eV, 3.6eV, 4.0eV 가 된다. 또, 그래프의 가로축은 전자가 투과하는 SiO2 막의 터널 절연층의 두께를 나타내고 있다. 이 결과에 의하면, Si 부유 게이트를 이용한 경우의 터널링 확률은, W 나 Co 의 금속 부유 게이트를 이용한 경우에 비해, 2 내지 5 자리수 정도 높다. 즉, Si 부유 게이트로부터의 리크 전류는, 금속 부유 게이트의 그것에 비하여, 100 내지 10 만배 커지는 것을 알 수 있다. 이 결과는, Si, W 및 Co 의 각각의 경우에 있어서의 포텐셜 장벽의 높이의 차이로부터 설명되고, Si 의 전자 친화력보다 높은 일함수를 갖는 금속 재료를 이용함으로써 전하 유지 능력이 높아지는 것을 나타내고 있다. 이 효과는, 고온 환경 하에 있어서도 동일하게 얻을 수 있다. 이와 같이, 높은 전하 유지 특성을 얻는 목적에 있어서, 부유 게이트의 재료에 Si 가 아닌 금속을 이용하는 방법은, 예를 들어 일본 공개특허공보 평16-055969호에 나타나고 있다.However, from the viewpoint of the potential barrier height, Si is not the best material as the material constituting the ultrafine particles. FIG.1 (a) is a schematic diagram of the energy level in the state in which the ultrafine particle of Si hold | maintained the electron. Where 1 is a p-type semiconductor substrate, 2 is a tunnel insulating film, 3a1 is a Si ultrafine particle, 4 is a gate insulating film, 5 is a control gate, 9 is an electron, 10a and 10b are the Si ultrafine particles and the lower level of the conduction band of the tunnel insulating film, respectively, 12 is It is a potential barrier. The injected electrons 9 are trapped in the conduction band bottom level 10a of the Si ultrafine particles. The potential barrier 12 seen from the electron 9 in this case is the conduction band bottom level 10b of the tunnel insulation film and the conduction band bottom level of the Si ultrafine particles at the interface between the Si ultrafine particles 3a1 and the tunnel insulating film 2 ( The difference of 10a), that is, the difference between the electron affinity of the oxide film and the electron affinity of the ultrafine Si particles. On the other hand, the energy level schematic diagram in the case where an ultrafine particle is a metal is shown in FIG.1 (b). 11a is the Fermi level of the ultrafine metal particles, and the other symbols indicate the same elements as in FIG. 1 (a). In this case, the electrons are trapped in the Fermi level 11a of the ultrafine metal particles, and the height of the potential barrier 12 in this case is the conduction band lower level 10b of the tunnel insulating film and the metal at the interface between the ultrafine metal particles and the tunnel insulating film. The difference between the Fermi level 11a of the ultrafine particles, that is, the difference between the work function of the metal and the electron affinity of the oxide film. Since the work function of most metals is higher than the electron affinity of Si, the potential barrier formed by Si in the oxide film is lower than that of metal. FIG. 6 is a diagram showing a result of theoretically calculating the probability that the electrons held in the floating gate of each material tunneled through the SiO 2 film, which is a potential barrier, in the case of using Si, W, and Co as floating gates. In addition, the electron affinity of Si was 4.1 eV, the work functions of W and Co were calculated as 4.6 eV, 5.0 eV, and SiO 2 as 1.0 eV, respectively. Thus, the heights of the potential barriers for the electrons held in the floating gate, in which the floating gate is Si, W, and Co, are 3.1 eV, 3.6 eV, and 4.0 eV, respectively. The horizontal axis of the graph represents the thickness of the insulating layer is SiO 2 film tunnel that electrons are transmitted. According to this result, the tunneling probability in the case of using the Si floating gate is about 2 to 5 orders of magnitude higher than in the case of using the metal floating gate of W or Co. In other words, it can be seen that the leakage current from the Si floating gate becomes 100 to 100,000 times larger than that of the metal floating gate. This result is explained from the difference of the height of the potential barrier in each case of Si, W, and Co, and shows that the charge holding | maintenance capability becomes high by using the metal material which has work function higher than the electron affinity of Si. This effect can be similarly obtained even in a high temperature environment. As described above, for the purpose of obtaining high charge retention characteristics, a method of using a metal other than Si as the material of the floating gate is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. H16-055969.

그러나, 상기 특허 문헌에 개시된 불휘발성 반도체 기억 소자에서는, 부유 게이트의 밀도가 지나치게 높아지고 인접 초미립자가 지나치게 접근하는 경우가 있다. 이 상태는 다치(多値) 기억 동작을 실시하는 등의 경우에 있어서 반드시 최선의 상태라고는 할 수 없는 경우가 있고, 부유 게이트로서 작용하는 초미립자의 간격을 최적화하는 등, 개선의 여지가 있었다.However, in the nonvolatile semiconductor memory device disclosed in the above patent document, the density of the floating gate becomes too high and the adjacent ultrafine particles may approach too much. This state may not always be the best state in the case of performing a multi-value memory operation, etc., and there exists room for improvement, such as optimizing the space | interval of the ultrafine particle which acts as a floating gate.

발명의 개시Disclosure of the Invention

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기존의 플래쉬 메모리, 즉 벌크 부유 게이트형 플래쉬 메모리, MONOS 메모리, SONOS 메모리, 또는 Si 초미립자 부유 게이트형 플래쉬 메모리에 있어서 해결해야 할 상기 과제, 즉 전하 유지 특성이 낮은 것이다. 이 과제는, 상기 불휘발성 기억 소자의 여러 특성 상의 기타 문제점, 예를 들어 데이터 기록 동작이나 소거 동작의 속도 향상이 곤란하다는 점, 및 소자의 미세화, 고밀도화가 곤란하다는 점 등의 문제 해결에 방해가 되고 있다. 따라서, 본 발명에 의해 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 특성을 향상시킴으로써, 이들 여러 문제를 동시에 해결할 수 있다.The problem to be solved by the present invention is that the above problem to be solved in the conventional flash memory, that is, bulk floating gate type flash memory, MONOS memory, SONOS memory, or Si ultra-fine particle floating gate type flash memory, that is, low charge retention characteristics will be. This problem is hindered in solving other problems on the various characteristics of the nonvolatile memory device, for example, difficulty in speeding up the data write operation or erase operation, and difficulty in miniaturization and high density of the device. It is becoming. Therefore, according to the present invention, these various problems can be solved simultaneously by improving the charge retention characteristics in the environment at room temperature and high temperature.

즉 본 발명의 목적은, 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 특성이 높은 부유 게이트형 불휘발성 반도체 기억 소자를 제공하는 것으로서, 아울러 소자의 미세화, 고밀도화, 고속 동작화가 가능한 불휘발성 반도체 기억 소자를 제공하고, 또한 상기 불휘발성 반도체 기억 소자를 양호한 재현성으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.In other words, an object of the present invention is to provide a floating gate type nonvolatile semiconductor memory device having high charge retention characteristics in an environment at room temperature and high temperature, and furthermore, a nonvolatile semiconductor memory device capable of miniaturization, high density, and high speed operation of the device. And a method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory device with good reproducibility.

이상의 점을 고려하여, 본 발명은 이하의 요지를 갖는다.In view of the above, this invention has the following summary.

1. 반도체 기판 표면에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역을 연결하도록, 또는 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 사이에 오도록 형성된 채널 형성 영역과, 상기 채널 형성 영역에 접하여 형성된 터널 절연막과, 상기 터널 절연막에 인접하여 형성된 전하 유지층과, 상기 전하 유지층에 인접하여 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막에 인접하여 형성된 제어 게이트를 구비하는 불휘발성 반도체 기억 소자로서, 상기 전하 유지층이, 부유 게이트로서 기능하는 입자 직경 5㎚ 이하에서 1 종 이상의 단원소 물질 또는 화합물로 이루어지는 양도체의 초미립자를, 불휘발성 반도체 기억 소자당 1 개 함유하거나 또는 상기 전하 유지층의 평방 센티미터당 10+12 내지 10+14 개의 밀도로 독립 분산하여 복수개 함유하는 모상 절연체로 이루어지고, 상기 모상 절연체가 비정질로서 그 전자 친화력이 1.0eV 이하이고, 또한 상기 양도체의 초미립자의 일함수가 4.2eV 이상인 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자.1. a source region and a drain region formed on a surface of a semiconductor substrate, a channel formation region formed so as to connect the source region and the drain region or between the source region and the drain region, and a tunnel formed in contact with the channel formation region. A nonvolatile semiconductor memory device comprising an insulating film, a charge holding layer formed adjacent to the tunnel insulating film, a gate insulating film formed adjacent to the charge holding layer, and a control gate formed adjacent to the gate insulating film, wherein the charge holding layer is provided. The ultrafine particles of a good conductor consisting of at least one single element material or compound having a particle diameter of 5 nm or less, functioning as a floating gate, are contained per nonvolatile semiconductor memory device or 10 +12 per square centimeter of the charge holding layer. To It is composed of a mother-like insulator which is dispersed in 10 +14 density independently and contains a plurality, wherein the mother-like insulator is amorphous, its electron affinity is 1.0 eV or less, and the work function of ultrafine particles of the good conductor is 4.2 eV or more. Volatile semiconductor memory device.

이 구성에 의해, 초미립자의 분산 밀도, 입자 직경 등의 적정화가 이루어지고 소자의 수율이 향상됨과 함께, 초미립자 및 모상 절연체를 구성하는 재료의 선택에 의해 초미립자에 포획된 전하에 대한 에너지 장벽 높이의 적정화를 도모할 수 있고, 종래의 소자보다 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 능력을 향상시킬 수 있다. 또는 이 에너지 장벽의 적정화에 의해 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 특성을 종래의 소자와 동일한 정도로 유지하면서 터널 절연막 및 게이트 절연막의 물리적 두께를 얇게 하는 것이 가능한 점에서, 데이터 기록 및 소거 동작의 고속화, 그리고 소자의 미세화, 고집적화를 실현시킨 불휘발성 반도체 기억 소자를 얻을 수 있다.By this configuration, the dispersion density and particle diameter of the ultrafine particles are optimized, the yield of the device is improved, and the energy barrier height against the charge trapped in the ultrafine particles by the selection of the material constituting the ultrafine particles and the parent insulator is optimized. Can be achieved, and the ability to retain charge in an environment at room temperature and high temperature can be improved compared to a conventional device. Alternatively, the data writing and erasing operation can be performed by optimizing the energy barrier so that the physical thickness of the tunnel insulating film and the gate insulating film can be made thin while maintaining the charge retention characteristics in the environment at room temperature and high temperature at the same level as the conventional device. It is possible to obtain a nonvolatile semiconductor memory device which achieves high speed, finer device and higher integration.

2. 상기 초미립자의 일함수와 상기 반도체 기판의 일함수의 차가 0.5eV 이하인 상기 1 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.2. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1, wherein a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the semiconductor substrate is 0.5 eV or less.

3. 상기 초미립자의 일함수와 상기 제어 게이트의 일함수의 차가 0.5eV 이하인 상기 1 또는 2 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.3. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1 or 2, wherein a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the control gate is 0.5 eV or less.

4. 상기 초미립자가 인접하는 상호 외각 간격 거리가 1 내지 5㎚ 인 상기 1, 2 또는 3 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.4. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1, 2 or 3, wherein the mutual outer space distances adjacent to the ultrafine particles are 1 to 5 nm.

또한, 여기서 말하는 외각이란, 초미립자 표면, 또는 달리 표현하면 초미립자와 모상 절연층의 계면을 가리킨다. 또 외각 간격 거리란, 초미립자의 표면과 그 초미립자에 가장 인접하는 초미립자 표면 사이의 최단 거리를 의미한다.In addition, the outer shell referred to here refers to the surface of the ultrafine particles or, in other words, the interface between the ultrafine particles and the mother insulating layer. The outer gap distance means the shortest distance between the surface of the ultrafine particles and the surface of the ultrafine particles closest to the ultrafine particles.

5. 상기 초미립자의 융점이 1400℃ 이상인 상기 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.5. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of 1 to 4, wherein the ultrafine particles have a melting point of 1400 ° C or higher.

6. 상기 초미립자를 구성하는 원자의 상기 반도체 기판에 있어서의 이온화 에너지 준위와, 상기 반도체 기판의 금제띠의 중심 준위의 차의 절대치가, 0.1eV 이상인 상기 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.6. The nonvolatile semiconductor according to any one of 1 to 5, wherein the absolute value of the difference between the ionization energy level of the atom constituting the ultrafine particles in the semiconductor substrate and the center level of the gold band of the semiconductor substrate is 0.1 eV or more. Memory elements.

7. 상기 초미립자가 W, Mo, Ti, Pt, Pd, Ni, Ta, Cr, Os, Nb, Ru, Rh 의 원소군 중 적어도 1 종류로 이루어지는 단체 또는 화합물인 상기 1 내지 6 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.7. The ultrafine particles described in any one of 1 to 6 above, wherein the ultrafine particles are a single group or a compound composed of at least one of an element group of W, Mo, Ti, Pt, Pd, Ni, Ta, Cr, Os, Nb, Ru, and Rh. Nonvolatile Semiconductor Memory.

이 구성에 의해, 반도체 기판으로서 Si 단결정이 이용된 경우에 있어서의, 상기 1, 5 및 6 의 물성적 조건을 모두 만족시키는 초미립자를 얻을 수 있고, 전하 유지 특성이 우수하고, 제조 프로세스시나 사용시의 고온 환경 하에 있어서도 초미립자의 용해나 확산 등이 발생하지 않고, 또 초미립자를 구성하는 원자가 반도체 기판에 확산된 경우에 캐리어의 재결합 중심이 되지 않고, 소자의 동작 특성이 안정된 소자를 얻을 수 있다.By this structure, when the Si single crystal is used as the semiconductor substrate, it is possible to obtain ultrafine particles satisfying all of the above physical properties 1, 5, and 6, and excellent in charge retention characteristics, and at the time of manufacturing process or use. Even in a high temperature environment, when the ultrafine particles are not dissolved or diffused, and when the atoms constituting the ultrafine particles are diffused onto the semiconductor substrate, the device can be obtained without becoming a recombination center of the carrier and stable operation characteristics of the device.

8. 상기 전하 유지층을 구성하는 모상 절연체가, 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 및 불화물로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 화합물로 이루어지는 상기 1 내지 7 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.8. The nonvolatile semiconductor memory according to any one of 1 to 7 above, wherein the mother insulator constituting the charge holding layer is formed of at least one compound selected from the group consisting of oxides, carbides, nitrides, borides, silicides, and fluorides. device.

9. 상기 전하 유지층을 구성하는 상기 초미립자가 상기 모상 절연체 내에 있어서 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산되어 있는 상기 1 내지 8 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.9. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of 1 to 8, wherein the ultrafine particles constituting the charge holding layer are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in the mother insulator.

10. 상기 9 에 기재된, 모상 절연체 중에 초미립자가 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산된 전하 유지층을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 전하 유지층은 초미립자 및 모상 절연체를 구성하는 각각의 재료를 물리적 증착법을 이용하여 자기 조직적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법.10. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a charge holding layer in which ultra-fine particles are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in a mother-shaped insulator according to 9, wherein the charge holding layer constitutes the ultra-fine particles and the mother-shaped insulator. A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that each material is formed by self-organization by physical vapor deposition.

11. 상기 물리적 증착법은 스퍼터링법인 상기 10 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법.11. The method for producing a nonvolatile semiconductor memory device according to 10, wherein the physical vapor deposition method is a sputtering method.

12. 반도체 기판 표면에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역과, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역을 연결하도록, 또는 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 사이에 오도록 형성된 채널 형성 영역과, 상기 채널 형성 영역에 접하여 형성된 터널 절연막과, 상기 터널 절연막에 인접하여 형성된 전하 유지층과, 상기 전하 유지층에 인접하여 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막에 인접하여 형성된 제어 게이트를 구비하는 불휘발성 반도체 기억 소자에 있어서, 상기 전하 유지층이, 부유 게이트로서 기능하는 입자 직경 5㎚ 이하에서 1 종 이상의 단원소 물질 또는 화합물로 이루어지는 반도체 또는 절연체의 초미립자를, 불휘발성 반도체 기억 소자당 1 개 함유하거나 또는 상기 전하 유지층의 평방 센티미터당 10+12 내지 10+14개의 밀도로 독립 분산하여 복수개 함유하는 모상 절연체로 이루어지고, 상기 모상 절연체가 비정질로서 그 전자 친화력이 1.0eV 이하이고, 또한 상기 초미립자의 전자 친화력이 4.2eV 이상인 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자.12. A source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate, a channel forming region formed to connect the source region and the drain region or between the source region and the drain region, and a tunnel formed in contact with the channel forming region. A nonvolatile semiconductor memory device comprising an insulating film, a charge holding layer formed adjacent to the tunnel insulating film, a gate insulating film formed adjacent to the charge holding layer, and a control gate formed adjacent to the gate insulating film. The layer contains one or more ultrafine particles of a semiconductor or insulator composed of one or more single element materials or compounds having a particle diameter of 5 nm or less that functions as a floating gate per nonvolatile semiconductor memory element or per square centimeter of the charge holding layer. 10 +12 +14 to 10 minutes a density as an independent subsidiary Formed of a matrix containing a plurality of insulator, and the electron affinity of 1.0eV or less is the parent phase is an amorphous insulator, and a non-volatile semiconductor memory device, characterized in that not less than the electron affinity of the ultrafine particles is 4.2eV.

이 구성에 의해, 초미립자의 분산 밀도, 입자 직경 등의 적정화가 이루어지고 소자의 수율이 향상됨과 함께, 초미립자 및 모상 절연체를 구성하는 재료의 선택에 의해 초미립자에 포획된 전하에 대한 에너지 장벽의 높이의 적정화를 도모할 수 있고, 종래의 소자보다 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 능력을 향상시킬 수 있다. 또는, 이 에너지 장벽의 적정화에 의해 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 특성을 종래의 소자와 동일한 정도로 유지하면서 터널 절연막 및 게이트 절연막의 물리적 두께를 얇게 하는 것이 가능한 점에서, 데이터 기록 및 소거 동작의 고속화, 그리고 소자의 미세화, 고집적화를 실현시키는 불휘발성 반도체 기억 소자를 얻을 수 있다. 또한, 초미립자 재료의 선택 범위가 반도체뿐만 아니라 반도체 및 절연체를 포함한 범위까지 넓게 할 수 있다.By this configuration, the dispersion density, particle diameter, etc. of the ultrafine particles are optimized, the yield of the device is improved, and the height of the energy barrier against the charge trapped in the ultrafine particles by the selection of the material constituting the ultrafine particles and the parent insulator. Optimalization can be achieved, and the ability to maintain charge in an environment at room temperature and high temperature can be improved compared to a conventional device. Alternatively, by appropriately optimizing the energy barrier, it is possible to reduce the physical thicknesses of the tunnel insulating film and the gate insulating film while maintaining the charge retention characteristics in the environment at room temperature and high temperature at the same level as that of a conventional device. A nonvolatile semiconductor memory device capable of speeding up operation and miniaturization and high integration of the device can be obtained. In addition, the selection range of the ultrafine particle material can be widened not only to a semiconductor but also to a range including a semiconductor and an insulator.

13. 상기 초미립자의 일함수와 상기 반도체 기판의 일함수의 차가 0.5eV 이하인 상기 12 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.13. The nonvolatile semiconductor memory device according to 12, wherein a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the semiconductor substrate is 0.5 eV or less.

이 구성에 의해, 상기 2 또는 13 에 관련된 발명을 실시한 경우에 얻어지는 효과, 즉 소자의 수율이나, 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전하 유지 특성의 향상 효과에 더하여 초미립자와 반도체 기판의 일함수의 차를 0.5eV 이하로 더욱 한정함으로써, 기록 동작 이전에 반도체 기판으로부터 초미립자에 전하가 자발적으로 유입하는 것을 방지하여, 실효적인 에너지 장벽의 저하를 억제할 수 있다.With this configuration, in addition to the effect obtained when the invention according to 2 or 13 described above is carried out, that is, the yield of the device and the effect of improving the charge retention characteristics in the environment at room temperature and high temperature, the work function of the ultrafine particles and the semiconductor substrate By further limiting the difference to 0.5 eV or less, it is possible to prevent spontaneous inflow of charges from the semiconductor substrate into the ultrafine particles before the write operation, thereby suppressing the lowering of the effective energy barrier.

14. 상기 초미립자의 일함수와 상기 제어 게이트의 일함수의 차가 0.5eV 이하인 상기 12 또는 13 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.14. The nonvolatile semiconductor memory device according to 12 or 13, wherein a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the control gate is 0.5 eV or less.

이 구성에 의해, 상기 3 또는 14 에 관련된 발명을 실시한 경우에 얻어지는 효과, 즉 소자의 수율이나, 실온 및 고온에서의 환경 하에서의 전하 유지 특성의 향상의 효과에 추가하여, 초미립자와 제어 게이트의 일함수의 차를 0.5eV 이하로 더욱 한정함으로써, 기록 동작 이전에 제어 게이트에서 초미립자로 전하가 자발적으로 유입되는 것을 방지하여, 실효적인 에너지 장벽의 저하를 억제할 수 있다.With this configuration, in addition to the effect obtained when the invention according to 3 or 14 described above is carried out, that is, the yield of the device and the effect of improving the charge retention characteristics under the environment at room temperature and high temperature, the work function of the ultrafine particles and the control gate By further limiting the difference to 0.5 eV or less, it is possible to prevent spontaneous inflow of charges into the ultrafine particles in the control gate before the write operation, thereby suppressing the lowering of the effective energy barrier.

15. 상기 초미립자가 인접하는 상호 외각 간격 거리가 1 내지 5㎚ 인 상기 12, 13 또는 14 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.15. The nonvolatile semiconductor memory device according to 12, 13 or 14, wherein the mutual outer space distances adjacent to the ultrafine particles are 1 to 5 nm.

이 구성에 의해, 상기 4 또는 15 에 관련된 발명을 실시한 경우, 초미립자간의 거리를 적정화하고, 따라서 인접 초미립자간에서의 절연성을 높일 수 있으며, 인접 초미립자간의 전하의 이동을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기의 효과, 즉 실온 및 고온에서의 환경 하에서의 전하 유지 능력의 향상, 고속 동작화, 고집적화에 추가하여, 데이터의 재기록 및 다치 동작의 신뢰성 향상을 실현시키는 불휘발성 반도체 기억 소자를 얻을 수 있다.With this arrangement, when the inventions related to 4 or 15 are implemented, the distance between the ultrafine particles can be optimized, so that the insulation between adjacent ultrafine particles can be improved, and the movement of electric charges between adjacent ultrafine particles can be suppressed. As a result, in addition to the above-mentioned effects, namely, the ability to maintain charge in an environment at room temperature and high temperature, high speed operation, and high integration, a nonvolatile semiconductor memory device capable of realizing reliability of data rewriting and multi-value operation can be obtained. have.

16. 상기 초미립자의 융점이 1400℃ 이상인 상기 12 내지 15 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.16. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of 12 to 15, wherein the ultrafine particles have a melting point of 1400 ° C or higher.

이 구성에 의해, 상기 5 또는 16 에 관련된 발명을 실시한 경우, 소자의 제조 프로세스시 또는 사용시의 고온 환경 하에서도, 초미립자의 용해를 방지하고, 또 초미립자를 구성하는 원자의 확산 산일(散逸) 을 억제할 수 있다. 이에 따라, 소자의 수율의 향상, 실온 및 고온 환경 하에서의 동작의 안정화 등을 실현시키는 불휘발성 반도체 기억 소자를 얻을 수 있다.By this structure, when the invention according to the above 5 or 16 is carried out, even in a high-temperature environment during the manufacturing process or use of the device, dissolution of the ultrafine particles is prevented and diffusion dissipation of atoms constituting the ultrafine particles is suppressed. can do. As a result, a nonvolatile semiconductor memory device capable of improving the yield of the device, stabilizing operation under room temperature and high temperature environment, and the like can be obtained.

17. 상기 초미립자를 구성하는 원자의 상기 반도체 기판에서의 이온화 에너지와, 상기 반도체 기판의 금제띠의 중심 준위의 에너지의 차의 절대치가 0.1eV 이상인 상기 12 내지 16 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.17. The nonvolatile semiconductor memory according to any one of 12 to 16, wherein an absolute value of the difference between the ionization energy of the atoms constituting the ultrafine particles in the semiconductor substrate and the energy of the center level of the gold band of the semiconductor substrate is 0.1 eV or more. device.

이 구성에 의해, 상기 6 또는 17 에 관련된 발명을 실시한 경우, 초미립자를 구성하는 원자가 반도체 기판으로 확산되어 캐리어의 재결합 중심으로서 불순물 준위를 형성한 경우에 있어서도, 캐리어의 포획 확률이 낮아 캐리어 밀도에 대한 영향을 억제할 수 있다. 이에 따라, 소자의 수율의 향상, 실온 및 고온 환경 하에서의 동작의 안정화를 실현시키는 불휘발성 반도체 기억 소자를 얻을 수 있다.With this configuration, in the case of carrying out the invention according to 6 or 17, even when atoms constituting the ultrafine particles diffuse into the semiconductor substrate to form an impurity level as the recombination center of the carrier, the carrier probability of trapping is low, so The influence can be suppressed. As a result, a nonvolatile semiconductor memory device capable of improving the yield of the device and stabilizing operation under room temperature and high temperature environment can be obtained.

18. 상기 전하 유지층을 구성하는 모상 절연체가 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 및 불화물로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 화합물로 이루어지는 상기 12 내지 17 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.18. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of 12 to 17, wherein the parent insulator constituting the charge holding layer is made of at least one compound selected from the group consisting of oxides, carbides, nitrides, borides, silicides, and fluorides. .

이 구성에 의해, 상기 8 또는 18 에 관련된 발명을 실시한 경우, 상기 모상 절연체의 재료로서 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 및 불화물로 이루어지는 군에서 선택하는 것이 가능해지고, 에너지 장벽이 높고 절연성이 높으며, 충분한 내열성을 갖는 등의 점에서 우수한 불휘발성 반도체 기억 소자를 실현시킬 수 있다.With this configuration, when the invention according to the above 8 or 18 is carried out, it is possible to select from the group consisting of oxides, carbides, nitrides, borides, silicides and fluorides as the material of the mother insulator, and the energy barrier is high and the insulating property is high. It is possible to realize a nonvolatile semiconductor memory device which is high in terms of high heat resistance and the like.

19. 상기 전하 유지층을 구성하는 상기 초미립자가 상기 모상 절연체 내에서 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산되어 있는 상기 12 내지 18 중 어느 하나에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자.19. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of 12 to 18, wherein the ultrafine particles constituting the charge holding layer are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in the mother insulator.

이 구성에 의해, 상기 9 또는 19 를 실시한 경우, 초미립자의 분산이 2 차원적일 때에는, 전하 유지층의 두께가 얇아지기 때문에, 반도체 기판과 제어 게이트 전극 사이에서의 용량 결합을 강하게 하고, 그 결과 MOSFET (금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터) 에서의 쇼트 채널 효과를 억제할 수 있다. 또, 분산이 3 차원적일 때에는, 유지 전하의 분포 중심과 반도체 기판의 거리를 제어함에 따른 다치 동작이 가능해지거나, 또는 초미립자의 양자화 효과에 의해 전하를 가두는 것이 가능해진다. 이들 상기 특징을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자를 실현시킬 수 있다.With this configuration, in the case where 9 or 19 is carried out, when the dispersion of the ultrafine particles is two-dimensional, since the thickness of the charge holding layer becomes thin, the capacitive coupling between the semiconductor substrate and the control gate electrode is strengthened, resulting in a MOSFET. The short channel effect in (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) can be suppressed. In addition, when the dispersion is three-dimensional, multi-valued operation by controlling the distance between the center of the distribution of the sustained charge and the semiconductor substrate becomes possible, or the charge can be trapped by the quantization effect of the ultrafine particles. A nonvolatile semiconductor memory device having these characteristics can be realized.

20, 상기 19 에 기재된, 모상 절연체 중에 초미립자가 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산된 전하 유지층을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 전하 유지층은 초미립자 및 모상 절연체를 구성하는 각각의 재료를 물리적 증착법을 사용하여 자기 조직적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법.20. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a charge holding layer in which ultra-fine particles are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in a mother-shaped insulator according to the above-mentioned 19, wherein the charge holding layer constitutes the ultra-fine particles and the mother-shaped insulator. A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that each material is formed by self-organization using physical vapor deposition.

이 구성에 의해, 상기 10 또는 20 에 관련된 발명을 실시한 경우, 물리 증착법은, 모상 절연체와 초미립자가 자기 조직적으로 상 분리를 일으키기 쉬운 열역학적 상황을 실현시킬 수 있는 등의 특징을 갖기 때문에, 상기 특징을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자의 전하 유지층의 형성에 바람직하고, 상기 특징을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자를 실현시킬 수 있다.According to this configuration, when the invention relating to the above 10 or 20 is carried out, the physical vapor deposition method has characteristics such as a thermodynamic situation in which the parent insulator and the ultrafine particles tend to self-organize phase separation, and the like. It is suitable for formation of the charge holding layer of the nonvolatile semiconductor memory element to have, and a nonvolatile semiconductor memory element having the above characteristics can be realized.

21. 상기 물리적 증착법은 스퍼터링법인 상기 20 에 기재된 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법.21. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to 20, wherein the physical vapor deposition method is a sputtering method.

이 구성에 의해, 상기 11 또는 21 을 실시한 경우, 스퍼터링법은, 물리 증착법 중에서도 특히 베이스 기판과의 밀착성이 우수하고, 또 막을 구성하고 있는 원자가 강하게 결합된 치밀한 막을 형성할 수 있으며, 막 형성 재료를 폭넓게 선택할 수 있고, 양산성이 우수하며, 저렴하게 제조할 수 있다는 등의 특징을 갖기 때문에, 상기 특징을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자의 전하 유지층을 바람직하게 형성할 수 있는 불휘발성 반도체 기억 소자를 실현시킬 수 있다.With this configuration, in the case of performing the above 11 or 21, the sputtering method is particularly excellent in adhesion with the base substrate among physical vapor deposition methods, and can form a dense film in which the atoms constituting the film are strongly bonded. A nonvolatile semiconductor memory device capable of forming a charge holding layer of the nonvolatile semiconductor memory device having the above characteristics is preferable because it has a wide selection, excellent mass productivity, and low cost manufacturing. It can be realized.

도 1 은 본 발명의 불휘발성 반도체 기억 소자의 전하 유지 특성을 설명하는 에너지 레벨의 개략도이고, (a) 는 초미립자가 Si 인 경우, (b) 는 초미립자가 금속인 경우이다.Fig. 1 is a schematic diagram of the energy level explaining the charge retention characteristics of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, (a) is the case where the ultrafine particles are Si, and (b) is the case where the ultrafine particles are a metal.

도 2 는 실시예 1 에서의 본 발명의 불휘발성 반도체 기억 소자를 나타내는 단면 개략도이다.Fig. 2 is a cross-sectional schematic diagram showing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention in the first embodiment.

도 3 은 실시예 2 에서의 본 발명의 불휘발성 반도체 기억 소자를 나타내는 단면 개략도이다.3 is a schematic cross-sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention in Example 2. FIG.

도 4 는 종래의 MONOS 메모리의 일례를 나타내는 단면 개략도이다.4 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of a conventional MONOS memory.

도 5 는 종래의 Si 초미립자를 함유하는 반도체 기억 소자의 일례를 나타내는 단면 개략도이다.5 is a cross-sectional schematic diagram showing an example of a semiconductor memory device containing conventional Si ultrafine particles.

도 6 은 부유 게이트로서 Si, W 및 Co 를 사용한 경우의, 각 재료의 부유 게이트에 유지된 전자가 포텐셜 장벽인 Si02 막을 통과하여 터널하는 확률을 이론적으로 계산한 결과를 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a diagram showing a result of theoretically calculating the probability that electrons held in the floating gate of each material tunnel through the Si0 2 film, which is a potential barrier, when Si, W, and Co are used as floating gates.

발명을 실시하기To practice the invention 위한 최선의 형태 Best form for

본 발명의 불휘발성 반도체 기억 소자의 일례의 개략적 단면도를 도 2 에 나타낸다. 도 2 에 있어서, 1 은 p 형 반도체 기판, 2 는 터널 절연막, 3 은 전 하 유지층이고, 부유 게이트로서 작용하는 금속 초미립자 (3a2) 가 모상 절연체 (3b) 중에 분산된 상태로 함유된다. 4 는 게이트 절연막, 5 는 제어 게이트이다. 또, 6 은 소스 영역, 7 은 드레인 영역을 나타낸 것이다.2 is a schematic cross-sectional view of an example of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. In Fig. 2, 1 is a p-type semiconductor substrate, 2 is a tunnel insulating film, 3 is a charge holding layer, and ultrafine metal particles 3a2 serving as floating gates are contained in a dispersed state in the mother-like insulator 3b. 4 is a gate insulating film, 5 is a control gate. 6 represents a source region and 7 represents a drain region.

p 형 반도체 기판 (1) 은 기판 전체가 반도체이어도 되고, 또는 SOI 기판과 같은 절연체 상에 반도체층이 형성된 것이어도 된다. 터널 절연막 (2) 은 p 형 반도체 기판 (1) 과 계면 접합성이 비교적 양호한 실리콘 산화막, 또는 제어 게이트 전압에 의한 반도체 기판과의 용량 결합성을 높이는 목적에서 유전율이 높은 물 질, 예를 들어, SiOxNy (0≤x<2, 0<y≤4/3; 또한, x, y 가 2x+3y=4 를 만족시키는 것이 보다 바람직하다) 계 재료나 HfO2 등 고유전 재료를 바람직하게 사용할 수 있다.The p-type semiconductor substrate 1 may be a semiconductor as a whole, or a semiconductor layer may be formed on an insulator such as an SOI substrate. The tunnel insulating film 2 is a material having a high dielectric constant, for example, SiO, for the purpose of enhancing capacitive coupling between the p-type semiconductor substrate 1 and the silicon oxide film having a relatively good interfacial bonding property or the semiconductor substrate by the control gate voltage. x N y (0 ≦ x <2, 0 < y ≦ 4/3; more preferably x, y satisfies 2x + 3y = 4) or a high dielectric material such as HfO 2 . Can be.

또, 부유 게이트 재료나 제어 게이트로서 중금속을 사용한 경우에 그 중금속 원소가 터널 절연막을 통과하고 반도체 기판측으로 확산되어 MOSFET 의 임계치 전압을 변화시키는 것 등을 방지하고자 한다. 이 이유에서, 금속 원소의 반도체 기판측으로의 확산 방지를 목적으로 하여 SiNx (0<x≤4/3) 등의 질소 화합물계 절연막이나 HfO2 나 LaOx 등 비 Si 계 산화물을 사용하는 것도 바람직하다.In the case where heavy metal is used as the floating gate material or the control gate, the heavy metal element passes through the tunnel insulating film and diffuses to the semiconductor substrate, thereby preventing the threshold voltage of the MOSFET from changing. In this reason, preferable that for the purpose of preventing diffusion of a metal element toward the semiconductor substrate using the SiN x (0 <x≤4 / 3 ) nitrogen-based compounds such as an insulating film or HfO 2 or LaO x, such as non-Si-based oxide Do.

또, 데이터의 기록/소거 동작을 고속으로 실시하게 하기 위해, 터널 절연막의 막 두께는 가능한 한 얇게 하는 것이 좋고, 8㎚ 이하가 바람직하다. 또한, 5㎚ 이하로 하는 것이 고속화를 위해 매우 바람직하다.In addition, in order to make data write / erase operations at a high speed, the film thickness of the tunnel insulating film is preferably as thin as possible, preferably 8 nm or less. In addition, it is very preferable to set it as 5 nm or less for speed-up.

전하 유지층 (3) 을 구성하는 금속 초미립자 (3a2) 는, 터널 절연막 (2) 의 절연 파괴에 의한 축적 전하의 손실의 영향을 가능한 한 적게 억제하기 위해, 또 초미립자에 대한 축적 전하의 유무에 의한 임계치 전압의 시프트량 (ΔVth, 메모리 윈도우라고도 한다) 의 각 소자간의 편차를 억제하기 위해, 초미립자는 고밀도로 다수 분산되고, 구체적으로는 불휘발성 반도체 기억 소자당 1 개 함유하거나, 또는 10+12 내지 10+14/㎠ 의 밀도로 존재하는 것이 바람직하다. 또한 동시에, 인접하는 초미립자의 절연성을 높이기 위해 초미립자의 외각 간격은 넓은 것이 좋고, 구체적으로는 1㎚ 이상 떨어져 있는 것이 바람직하다. 그러나, 간격이 지나치게 넓은 경우에는 고밀도 분산이 얻어지지 않기 때문에, 5㎚ 를 외각 간격 거리의 상한으로 하는 것이 좋다. 또, 초미립자의 고밀도 분산과 인접 입자간의 절연성을 양립시키기 위해, 초미립자의 크기는 5㎚ 이하, 보다 바람직하게는 3㎚ 이하가 바람직하다. 또한, 여기서의 초미립자의 크기는 평균치이며, 이 평균치는 입자 지름 분포 중 큰 쪽 및 작은 쪽에서 각각 10% 씩의 초미립자를 제외한 때의 산술 평균을 말하는 것으로 한다.The metal ultrafine particles 3a2 constituting the charge holding layer 3 are designed to suppress the influence of the loss of the accumulated charge due to the dielectric breakdown of the tunnel insulating film 2 as much as possible, and also by the presence or absence of the accumulated charge to the ultrafine particles. In order to suppress the variation between the elements in the shift amount of the threshold voltage (ΔV th , also referred to as a memory window), the ultrafine particles are dispersed in a high density at high density, specifically, one per nonvolatile semiconductor memory element, or 10 +12 It is preferably present at a density of from 10 +14 / cm 2. At the same time, in order to increase the insulation of the adjacent ultrafine particles, the outer space of the ultrafine particles is preferably large, and preferably 1 nm or more apart. However, when the interval is too wide, high density dispersion is not obtained, so it is preferable to set 5 nm as the upper limit of the outer interval distance. Moreover, in order to make high-density dispersion of ultrafine particles and insulation between adjacent particles compatible, the size of ultrafine particles is 5 nm or less, More preferably, 3 nm or less is preferable. In addition, the magnitude | size of the ultrafine particle here is an average value, and this average value shall mean the arithmetic mean at the time of removing the ultrafine particle by 10% in the large and small part of particle diameter distribution, respectively.

전하 유지층 (3) 을 구성하는 재료는 기본적으로는, 전하 유지층 (3) 중의 금속 초미립자 (3a2) 를 이루는 재료와, 모상 절연체 (3b) 를 얻기 위한 재료가 막 형성시에 상 분리를 일으키는 조합의 재료를 선택하는 것으로 한다.The material constituting the charge holding layer 3 is basically a material forming the metal ultrafine particles 3a2 in the charge holding layer 3 and a material for obtaining the parent insulator 3b causing phase separation at the time of film formation. It is assumed that the material of the combination is selected.

초미립자 분산상의 재료로서는 금속, 반도체 및 절연체 중 어느 것으로부터도 선택할 수 있지만, 높은 전하 유지 능력을 얻는다는 관점에서, 일함수 또는 전자 친화력이 가능한 한 큰 물질이 바람직하고, 따라서, 도 2 의 3a2 에 나타나는 바와 같이 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 이론적으로는, 도 6 에 나타나는 바와 같이, 전자를 포획하고 있는 초미립자로부터 그 주위에 있는 절연체를 빠져나갈 때의 터널링 확률이, 초미립자를 구성하는 재료에 따라 다르고, 그 재료의 일함수 또는 전자 친화력이 클수록 터널링 확률은 낮아진다는 사실로부터 설명된다.As the material of the ultra-fine particle dispersed phase, any of metals, semiconductors, and insulators can be selected, but from the viewpoint of obtaining a high charge retention capability, a material having a work function or an electron affinity as large as possible is preferable, and therefore, according to 3a2 of FIG. As shown, it is preferred to use a metal. Theoretically, as shown in FIG. 6, the tunneling probability when exiting the insulator surrounding the electron from the ultrafine particles trapping the electrons depends on the material constituting the ultrafine particles, and the work function or electron affinity of the material is different. It is explained from the fact that the larger the lower the probability of tunneling.

또, 이 부유 게이트에 사용하는 재료의 일함수의 차이는, 소자의 고온 환경 하에서의 전하 유지 능력에도 영향을 준다. 여기서, 고온 환경이란, 40℃ 정도부터, 상한 온도가 250℃ 내지 300℃ 정도까지인 온도 영역의 환경을 말한다. 고온 환경 하에서는, 실온 환경 하와 비교하여 유지 전하가 갖는 열적 에너지 (이 열적 에너지는 kT 에 비례하는 값을 취하며; 여기서 k 는 볼츠만 상수, T 는 절대 온도) 가 높기 때문에, 실효적으로는 포텐셜 장벽이 저하된다. 또한, 부유 게이트를 둘러싸는 절연체의 에너지 밴드갭에 비교적 강한 온도 의존성이 있다. 절연체로서 가장 빈번하게 사용되는 Si02 등에서는, 온도의 상승으로 인하여 밴드갭이 작아지는 경향이 있고, 온도 상승에 수반되는 갭 축소의 영향을 무시할 수 없을 정도로 크다.In addition, the difference in the work function of the material used for the floating gate also affects the charge holding ability of the device under a high temperature environment. Here, a high temperature environment means the environment of the temperature range whose upper limit temperature is about 250 degreeC-about 300 degreeC from about 40 degreeC. Under high temperature environments, the potential barrier is effective because the thermal energy of the sustained charge (which is proportional to kT; where k is Boltzmann's constant and T is absolute temperature) is higher than at room temperature. Is lowered. In addition, there is a relatively strong temperature dependency on the energy bandgap of the insulator surrounding the floating gate. In Si0 2 or the like which is most frequently used as an insulator, the band gap tends to be small due to the increase in temperature, and the influence of the gap reduction accompanying the temperature rise cannot be ignored.

유지 전하가 갖는 열에너지, 온도 상승에 수반되는 갭 축소 등의 영향으로 인하여, 고온 환경 하에서의 포텐셜 장벽은 실온 환경 하에서의 그것과 비교하여 무시할 수 없을 정도로 저하되고, 그것이 고온에서의 전하 유지 능력을 열화시키는 요인이 되고 있다. 이 때, 부유 게이트에 일함수가 큰 금속을 사용함으로써, 고온 환경 하에서 실효적으로 저하된 포텐셜 장벽을 충분히 보충하는 것이 가능해 져, 고온 환경 화에서도 부유 게이트에 Si 를 사용한 경우에 비해 터널링 확률을 낮게 억제할 수 있다.Due to the influence of the thermal energy of the holding charge, the gap shrinkage accompanying the temperature rise, and the like, the potential barrier under a high temperature environment is insignificantly lowered compared with that under a room temperature environment, and it is a factor that degrades the charge holding ability at a high temperature. It is becoming. At this time, by using a metal having a large work function for the floating gate, it is possible to sufficiently compensate for the potential barrier effectively lowered under a high temperature environment, and lower the tunneling probability even when Si is used for the floating gate even in a high temperature environment. It can be suppressed.

이로부터, 부유 게이트에 높은 일함수의 재료를 사용하는 것은, 일함수가 낮은 재료 또는 Si 와 같이 온도 상승에 수반하여 포텐셜 장벽이 실질적으로 저하되는 반도체를 사용하는 것보다도 고온 환경 하에서의 전하 유지 능력을 높게 할 수 있다. 구체적으로는, 금속 재료에 대해서는 일함수가 4.2eV 이상인 재료가, 반도체 및 절연체 재료에 대해서는 전자 친화력이 4.2eV 이상인 재료가 좋다.From this, the use of a high work function material for the floating gate is more effective than the use of a low work function material or a semiconductor in which the potential barrier is substantially lowered with temperature rise, such as Si. Can be made higher. Specifically, a material having a work function of 4.2 eV or more for a metal material may be a material having an electron affinity of 4.2 eV or more for a semiconductor and an insulator material.

또한, 초미립자 분산상의 재료로서는, 기록 동작 이전에 초미립자에 전하가 유입되는 것을 억제하고 포텐셜 장벽의 실효적인 높이를 높여, 높은 전하 유지 능력을 얻는다는 관점에서, 반도체 기판 또는 제어 게이트 전극의 일함수에 가능한 한 가까운 물질이 매우 적합하다. 구체적으로는, 초미립자 분산상의 재료와 반도체 기판의 재료의 일함수의 차의 절대치가, 또는 초미립자 분산상의 재료와 제어 게이트의 재료의 일함수의 차의 절대치가 0.5eV 이하인 재료인 것이 바람직하고, 또한 0.1eV 이하인 것이 보다 바람직하다.In addition, as the material of the ultra-fine particle dispersed phase, the work function of the semiconductor substrate or the control gate electrode is used in view of suppressing the introduction of charge into the ultra-fine particles before the write operation, increasing the effective height of the potential barrier, and obtaining a high charge retention capability. Materials as close as possible are very suitable. Specifically, it is preferable that the absolute value of the difference between the work function of the material of the ultrafine particle dispersed phase and the material of the semiconductor substrate or the absolute value of the difference between the work function of the material of the ultrafine particle dispersed phase and the material of the control gate is preferably 0.5 eV or less. It is more preferable that it is 0.1 eV or less.

이것은 이하의 이유에 의한 것이다. 상이한 일함수의 재료를 접합하여 열평형 상태에 도달하면, 각 재료간에, 서로의 페르미 준위가 일치하도록, 일방의 재료에서 다른 재료로 전자의 이동이 생긴다. 이 때문에, 예를 들어 초미립자의 일함수가 과도하게 높은 경우에는, 반도체 기판 또는 제어 게이트에서 초미립자로 전자를 이동시키는 작용이 강하게 작용하고, 초미립자에 전자를 주입하는 동작 이전에, 초미립자에 자발적으로 전자가 주입된 상태가 된다. 이 상태에서 데이 터의 기록을 위해 전자를 주입하려고 하면, 초미립자에는 2 번째 또는 그 이후의 전자가 주입되게 된다. 이하에서는 설명의 편의상, 상기의 기록 동작 이전에 자발적으로 주입된 전자를 「열평형 전자」, 그 후 기록 동작에 의해 주입되는 전자를 「주입 전자」로 한다.This is for the following reason. When materials of different work functions are joined to reach a thermal equilibrium state, electrons move from one material to another so that the Fermi levels of each material coincide with each other. For this reason, for example, when the work function of the ultrafine particles is excessively high, the action of moving electrons from the semiconductor substrate or the control gate to the ultrafine particles acts strongly, and before the operation of injecting electrons into the ultrafine particles, the electrons spontaneously enter the ultrafine particles. Is injected. In this state, if you try to inject electrons to record data, the ultrafine particles are injected with the second or later electrons. For convenience of explanation, hereinafter, electrons spontaneously injected before the above recording operation are referred to as "thermal balance electrons", and electrons injected by the subsequent recording operation are referred to as "injection electrons".

이 때, 이 주입 전자는 열평형 전자에 의한 상기 클롬 블록케이드(Coulomb blockade)를 받기 때문에, ΔEc=e2/(2C) 의 정전 에너지분만큼 초미립자에 주입되기 어려워진다. 또, 주입 전자는 상기 ΔEc 만큼 높은 에너지를 갖기 때문에, 이 주입 전자에서 본 포텐셜 장벽의 높이는 이 ΔEc 만큼 낮아져 버린다. 기록 및 소거의 동작으로 인하여 인위적으로 조작되고, 기억 정보의 담당자로서의 기능을 갖는다는 것은 주로 이 주입 전자이기 때문에, 실효적인 포텐셜 장벽이 저하되는 것과 등가이다.At this time, since the injected electrons are subjected to the coulomb blockade by the thermal equilibrium electrons, it is difficult to be injected into the ultrafine particles by the amount of electrostatic energy of ΔE c = e 2 / (2C). In addition, the injection electron is the ΔE c Because of its high energy, the potential barrier seen by this implanted electron is equal to this ΔE c As low as it will. Artificially operated due to the operation of recording and erasing, and having a function as the person in charge of the stored information is mainly equivalent to that of the injected electrons, so that the effective potential barrier is lowered.

또한, 초미립자의 크기는 나노미터 오더이기 때문에 초미립자에 포획된 전자가 취할 수 있는 에너지 준위는 양자화되고 있다. 열평형 전자에 의해 하방의 에너지 준위가 차지되고, 주입 전자는 ΔEQ 만큼 높은 에너지 준위에 포획된다고 하면, 전자가 주입되려면 열평형 전자의 에너지 준위로부터 더욱 ΔEQ 만큼 높은 에너지를 필요로 하고, 포획 후의 주입 전자에서 본 포텐셜 장벽의 높이는 상기의 클롬 블록케이드의 경우와 동일하게, ΔEQ 만큼 낮아져 버린다.In addition, since the size of the ultrafine particles is nanometer order, the energy level that electrons trapped in the ultrafine particles can take is quantized. The energy level below is occupied by the thermal equilibrium electrons, and the injection electrons are ΔE Q. When enough that capture the high-energy level, electrons are injected to become further from the energy level of the thermal equilibrium e ΔE Q Requires as high energy as possible, and the height of the potential barrier seen from the implanted electron after capture is the same as in the case of the chromium blockcade, ΔE Q. As low as it will.

실제로는, 이들 클롬 블록케이드 효과와 양자화 효과 2 개가 공존하기 때문 에, 주입 전자에서 본 포텐셜 장벽의 높이는, 이들 2 가지 효과의 상호 작용을 무시하면 단순하게는 이들의 합, 즉 ΔEc+ΔEQ 만큼 저하된다. 이 실효적인 장벽의 저하는 1 번째의 전자가 초미립자에 미리 주입됨으로써 생기기 때문에, 열평형 전자의 자발적인 주입을 억제하는 것이 중요하고, 이를 위해서는 초미립자의 일함수를 반도체 기판 또는 제어 게이트 전극의 일함수에 가까운 것이 바람직하다.In practice, since these chromium blockcade effects and two quantization effects coexist, the height of the potential barrier seen in the injection electron is simply the sum of these, ΔE c + ΔE Q , ignoring the interaction of these two effects. Is lowered. Since the lowering of the effective barrier is caused by pre-injecting the first electrons into the ultrafine particles, it is important to suppress spontaneous injection of thermally balanced electrons. It is desirable to be close.

또, 본 발명의 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 프로세스에 있어서, 전하 유지층이 고온 처리를 받을 경우, 가열에 의한 초미립자의 응집을 억제하기 위해 보다 초미립자의 융점이 높은 것이 좋고, 구체적으로는 융점이 1400℃ 이상인 것이 바람직하다.In the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, when the charge holding layer is subjected to a high temperature treatment, in order to suppress aggregation of the ultrafine particles by heating, the melting point of the ultrafine particles is preferably higher, specifically, the melting point It is preferable that it is 1400 degreeC or more.

또한, 초미립자의 구성 원소가 확산되어, 반도체 기판에 도달한 경우, 원소에 따라서는 반도체 기판 내에서 불순물 준위를 형성한다. 기판이 간접 천이형 반도체인 경우, 이것이 재결합 중심이 되어 캐리어의 라이프 타임을 감소시키고, 나아가서는 MOSFET 의 ON 전류나 임계치 전압에 영향을 준다. 이 불순물 준위가 반도체 기판의 금제띠의 중심 준위 (갭 센터) 에 가까울수록 재결합 확률은 높아지기 때문에, 갭 센터에 가까운 불순물 준위를 형성하는 원소는 초미립자를 구성하는 원소로는 바람직하지 않다. 한편, 불순물 준위가 갭 센터로부터 멀어질수록 재결합 확률은 지수 함수적으로 급격하게 감소되기 때문에, 갭 센터로부터 어느 정도 떨어진 준위라면 비록 불순물 준위를 형성한 경우라 하더라도 MOSFET 의 동작에 대한 영향은 작아진다. 따라서, 초미립자를 구성하는 원소는, 반도체 기판 의 갭 센터로부터 0.1eV 이상 (상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 반도체 기판이 Si 인 경우 0.56eV 정도이며, 이 값은 반도체 기판의 재질에 의존한다) 떨어진 준위에 불순물 준위를 형성하는 원소가 바람직하다.In addition, when the constituent elements of the ultrafine particles diffuse to reach the semiconductor substrate, an impurity level is formed in the semiconductor substrate depending on the elements. If the substrate is an indirect transition type semiconductor, it becomes a recombination center to reduce the carrier's lifespan and further affect the MOSFET's ON current or threshold voltage. The closer the impurity level is to the center level (gap center) of the gold band of the semiconductor substrate, the higher the probability of recombination. Therefore, an element forming an impurity level close to the gap center is not preferable as an element constituting ultrafine particles. On the other hand, as the impurity level moves away from the gap center, the probability of recombination decreases exponentially, so if the level is some distance away from the gap center, the effect on the operation of the MOSFET becomes smaller even if the impurity level is formed. . Therefore, the element constituting the ultrafine particles is 0.1 eV or more from the gap center of the semiconductor substrate (the upper limit is not particularly limited, but is about 0.56 eV when the semiconductor substrate is Si, for example, and this value depends on the material of the semiconductor substrate). An element which forms an impurity level at a level separated by) is preferable.

초미립자의 재료는 이상의 관점, 일함수, 융점, 불순물 준위를 고려하여 선택하는 것이 바람직하다. 반도체 기판이 Si 인 경우에는, 금속의 초미립자로는, W, Mo, Ti, Pt, Pd, Ni, Ta, Cr 등이 바람직하지만, Os, Re, Nb, Ru, Rh 이어도 된다.The material of the ultrafine particles is preferably selected in consideration of the above viewpoints, work function, melting point, and impurity level. In the case where the semiconductor substrate is Si, as the ultrafine metal particles, W, Mo, Ti, Pt, Pd, Ni, Ta, Cr and the like are preferable, but Os, Re, Nb, Ru, and Rh may be used.

원소 반도체의 초미립자로서는 Se 및 Te 중 적어도 1 종인 것이 바람직하다. 또, Se 및 Te 중 적어도 1 종의 반도체에 P, As, Sb, B, Al, Ga, In 및 Cu 중 적어도 1 종의 원소를 불순물로서 함유하는 것이어도 된다.The ultrafine particles of the element semiconductor are preferably at least one of Se and Te. In addition, at least one semiconductor of Se and Te may contain at least one element of P, As, Sb, B, Al, Ga, In and Cu as impurities.

화합물 반도체 또는 절연체의 초미립자로서는 InAs, InGaAs, InGaNAs, InAlAs, InAsP, InGaAsP, InSb, InGaSb, InAlSb, InGaAsSb, SiC, Cu2O, ZnO, CdO, BaO, PbO, NiO, In2O3, Sb2O3, SnO2, Ag2O, AgO, RuO2, V3Ga, Nb3Sn, Nb3Al, Nb3Ga, Nb3Ge, NbTi, NbMo6S8, ZnS, CdS, HgS, PbS, Sb2S3, Bi2S3, ZnSe, CdSe, HgSe, SnSe, PbSe, In2Se3, Sb2Se3, BiSe3, ZnTe, CdTe, HgTe, SnTe, PbTe, In2Te3, Bi2Te3, BN, GaN, InN, TiN, BP, AlP, GaP, InP, Zn3P2, Cd3P2, ZnP2, CdP2, AlAs, GaAs, Zn3As2, Cd3As2, ZnAs2, CdAs2, AlSb, GaSb, ZnSb, CdSb, Si3N4 중 적어도 1 종의 화합물인 것이 바람직하다.The ultrafine particles of the compound semiconductor or insulator are InAs, InGaAs, InGaNAs, InAlAs, InAsP, InGaAsP, InSb, InGaSb, InAlSb, InGaAsSb, SiC, Cu 2 O, ZnO, CdO, BaO, PbO, NiO, In 2 O 3 , Sb 2 O 3 , SnO 2 , Ag 2 O, AgO, RuO 2 , V 3 Ga, Nb 3 Sn, Nb 3 Al, Nb 3 Ga, Nb 3 Ge, NbTi, NbMo 6 S 8 , ZnS, CdS, HgS, PbS, Sb 2 S 3 , Bi 2 S 3 , ZnSe, CdSe, HgSe, SnSe, PbSe, In 2 Se 3 , Sb 2 Se 3 , BiSe 3 , ZnTe, CdTe, HgTe, SnTe, PbTe, In 2 Te 3 , Bi 2 Te 3 , BN, GaN, InN, TiN, BP, AlP, GaP, InP, Zn 3 P 2 , Cd 3 P 2 , ZnP 2 , CdP 2 , AlAs, GaAs, Zn 3 As 2 , Cd 3 As 2 , ZnAs 2 , CdAs 2 , AlSb, GaSb, ZnSb, CdSb, Si 3 N 4 It is preferable that it is at least 1 type of compound.

또, 이들 물질군 중에서 In2O3, Sb2O3, SnO2, ZnO, GaAs 중 적어도 1 종의 화합물에 Sn, Sb, Ga, Al, In 중 적어도 1 종의 원소를 불순물로서 함유하는 것이어도 된다.Among these substance groups, at least one of Sn, Sb, Ga, Al, and In is contained in at least one compound of In 2 O 3 , Sb 2 O 3 , SnO 2 , ZnO, and GaAs as an impurity. You can do it.

한편, 모상 절연체의 재료로는, 반도체 및 절연체 중 어느 것으로부터도 선택할 수 있지만, 전하 유지 특성을 좋게 할 목적으로 그 전자 친화력이 가능한 한 작은 재료, 구체적으로는 1.0eV 이하인 재료인 것이 바람직하다. 또한, 반도체 프로세스에서의 열처리에 있어서도 안정적으로 할 목적으로 고융점 물질을 선택하는 것이 보다 바람직하고, 구체적으로는 1400℃ 이상인 것이 좋다.On the other hand, as a material of a mother insulator, although it can select from either a semiconductor and an insulator, it is preferable that it is a material as small as possible of the electron affinity, specifically 1.0 eV or less for the purpose of improving charge retention characteristic. Moreover, it is more preferable to select a high melting point material for the purpose of making it stable also in the heat processing in a semiconductor process, and it is preferable that it is 1400 degreeC or more specifically.

또 동시에, 비정질을 형성하는 재료인 것이 보다 바람직하다. 이것은 초미립자에 트랩된 전자가 모상 절연체 내를 터널 전도에 의해 리크할 때에, 모상 절연체가 결정질보다도 비정질인 쪽이, 터널 전자가 모상 절연체 구성 원자에 산란될 확률이 높아지기 때문이다. 이 결과, 전자의 터널 전도에 의한 실효적인 리크량은 저하될 것이 기대된다. 모상 절연체를 비정질로 하기 위해 초미립자 분산막의 막 형성 방법으로서 스퍼터링법 등 물리적 증착법을 사용하는 것은 매우 바람직하다. 스퍼터링법을 비롯한 물리적 증착법은 비교적 저온에서도 막 형성이 가능하다는 점에서, 비정질을 얻기 쉽기 때문이다.At the same time, the material is more preferably an amorphous material. This is because when the electron trapped in the ultrafine particles leaks into the parent insulator by tunnel conduction, the more likely that the parent insulator is amorphous than the crystalline, the higher the probability that the tunnel electrons will scatter to the parent insulator constituent atoms. As a result, the effective leak amount due to the tunnel conduction of electrons is expected to decrease. In order to make the mother insulator amorphous, it is very preferable to use a physical vapor deposition method such as sputtering as a film formation method of the ultrafine particle dispersion film. This is because physical deposition methods, including sputtering, are easy to obtain amorphous in that a film can be formed even at a relatively low temperature.

전하 유지층중의 모상 절연체의 재료의 예로서는 실리카, 알루미나, 티나니아, 멀라이트, 코디어라이트, 스피넬, 제올라이트, 포스테라이트, 마그네시아 등의 산화물, 또 탄화붕소 (B4C) 등의 탄화물, 질화규소나 질화붕소, 질화알루미늄 등의 질화물, 불화마그네슘, 불화알루미늄 등의 불화물에서 선택되는 적어도 1 종의 화합물을 들 수 있다.Examples of the material of the matrix insulator in the charge holding layer include oxides such as silica, alumina, tinania, mullite, cordierite, spinel, zeolite, forsterite and magnesia, carbides such as boron carbide (B 4 C), And at least one compound selected from nitrides such as silicon nitride, boron nitride and aluminum nitride, and fluorides such as magnesium fluoride and aluminum fluoride.

전하 유지층의 전하 유지력의 향상을 위해, 전하 유지층 내에 분산되는 초미립자의 배열을 2 단 이상, 즉 3 차원적인 다중 적층 구조로 하는 것도 유효하다. 다중 적층 구조에 대하여 보다 구체적으로는, 초미립자가 반도체 기판 표면에 평행한 평면 상에 나열되고, 이것을 1 층으로 하고, 얇은 절연층을 사이에 두어 다시 동일한 평면 배열이 반복되는 구조를 가리킨다. 이러한 초미립자의 다층 구조로 인하여 전하 유지 특성이 향상되는 이유는 다음의 사실로부터 설명된다. 여기서, 배열 구조로서 초미립자층이 2 층 적층되어 있는 상태를 상정하고, 반도체 기판에 가까운 쪽부터 제 1 번째, 제 2 번째로 정의한다. 전하가 제 1 번째 및 제 2 번째의 양쪽에 축적되어 있는 상태에서, 제 2 번째의 전자가 반도체 기판으로 빠져나가려고 하는 경우, 그 리크 경로 도중에 존재하는 제 1 번째의 전자가 형성하는 정전 포텐셜에 의해, 제 2 번째의 전자의 기판측으로 리크되는 것이 저해되고, 그 결과, 전하 유지 특성은 단층 배열의 경우보다도 향상된다.In order to improve the charge holding force of the charge holding layer, it is also effective to arrange the ultrafine particles dispersed in the charge holding layer in two or more stages, that is, in a three-dimensional multi-layered structure. More specifically with respect to the multi-layered structure, the ultrafine particles are arranged on a plane parallel to the surface of the semiconductor substrate, and this refers to a structure in which the same planar arrangement is repeated again with one layer and a thin insulating layer interposed therebetween. The reason why the charge retention characteristics are improved due to the multilayer structure of the ultrafine particles is explained from the following facts. Here, the state in which two superfine particle layers are laminated | stacked as an arrangement structure is defined, and it defines as 1st and 2nd from the side near a semiconductor substrate. When the second electrons try to escape to the semiconductor substrate while the charge is accumulated in both the first and second times, the electrostatic potential formed by the first electrons existing in the leak path is formed. As a result, leakage of the second electron to the substrate side is inhibited, and as a result, the charge retention characteristic is improved than in the case of the single layer arrangement.

상기, 하전 입자가 형성하는 정전 포텐셜에 의해 그 주위에 존재하여 동일 전하 부호를 갖는 하전 입자의 움직임이 저해되는 효과는 클롬 블록케이드 효과라고 불린다. 이 효과를 식을 사용하여 표현하면, ΔEc=e2/(2C) 가 된다. 여기서 ΔEc 는 정전 포텐셜의 상승분, 즉 클롬 블록케이드에 의한 에너지 장벽의 높이이고, e 는 전자의 전하량, C 는 전하 이동의 대상이 되는 터널 접합 용량이다.The effect of inhibiting the movement of charged particles having the same charge code by virtue of the electrostatic potential formed by the charged particles is called a chromium blockcade effect. When this effect is expressed using an equation, ΔE c = e 2 / (2C). Where ΔE c Is the increase of the electrostatic potential, that is, the height of the energy barrier due to the chromium blockcade, e is the charge amount of the electron, and C is the tunnel junction capacitance to be the object of charge transfer.

클롬 블록케이드 효과를 실온에서 발현시키기 위해서는, 이 정전 포텐셜 에너지의 상승분 (ΔEc) 이 실온의 열에너지, kTr 보다 큰 것이 필요 조건이 된다. 여기서, k 는 볼츠만 상수, Tr 는 실온이다. 또, 여기에 추가하여, 불확정성 원리로부터 도출되는 조건, 즉 접합간 저항 (R) 이 R~h/e2 정도≒26㏀ 내지 그 이상인 것이 필요하다. 여기서, h 는 프랭크 상수이다.In order to express the chloroblockide effect at room temperature, the increase of the electrostatic potential energy (ΔE c ) Is greater than the thermal energy of the room temperature, kT r is a requirement. Where k is Boltzmann's constant and T r is room temperature. In addition, in addition to this, the condition derived from the uncertainty principle, that is, the resistance between junctions (R) is R to h / e 2 It is necessary that it is about 26 to 26 degrees or more. Where h is the Frank constant.

이러한 필요 조건을 만족시키고 충분한 클롬 블록케이드 효과를 발현시키기 위해서는, 터널 접합 용량이 작은 것이 필요하고, 이것은 초미립자의 크기가 작을수록 좋다.In order to satisfy these requirements and to express a sufficient chromium blockade effect, it is necessary to have a small tunnel junction capacity, which is better as the size of the ultrafine particles is smaller.

또한, 초미립자의 크기가 작은 것은, 더욱이 다음과 같은 효과도 기대할 수 있다. 초미립자는 치수가 5㎚ 이하로 매우 작기 때문에 에너지 준위는 이산된 분포가 되어 있는 것을 충분히 생각할 수 있다. 지금, 상기 기술한 1 층째와 2 층째의 각각에 있어서 수직 방향으로 인접하는 2 개의 초미립자에 주목한다. 2 개의 초미립자의 무전하 상태에서의 에너지 준위의 분포 상태가 서로 동일한 것으로 한다. 여기서, 2 층째에 있는 초미립자에만 전하가 주입되면, 이 대전된 초미립자의 에너지 준위는 1 층째에 있는 무전하의 초미립자의 에너지 준위에 대해 고에너지측에 시프트한다. 이에 따라, 주목하고 있는 2 개의 초미립자의 에너지 준위 분포의 높이는 상대적으로 상이해지고, 2 층째의 초미립자에 주입된 전자가 포획되어 있는 에너지 준위와 에너지가 일치하는 준위가, 1 층째의 초미립자에는 존재하지 않을 가능성이 생긴다.In addition, the small size of the ultrafine particles can further expect the following effects. Since the ultrafine particles have a very small dimension of 5 nm or less, it is conceivable that the energy levels have a discrete distribution. Attention is now directed to two ultra-fine particles adjoining in the vertical direction in each of the first and second layers described above. The state of distribution of energy levels in the uncharged state of two ultrafine particles shall be mutually the same. Here, when charge is injected only into the ultrafine particles on the second layer, the energy levels of the charged ultrafine particles shift to the high energy side with respect to the energy levels of the uncharged ultrafine particles on the first layer. As a result, the heights of the distributions of the energy levels of the two ultra-fine particles of interest are relatively different, and the level at which the energy coincides with the energy level at which the electrons injected into the second-layer ultra-fine particles are trapped does not exist in the ultra-fine particles of the first layer. There is a possibility.

일치하는 에너지 준위가 존재하지 않는 경우, 이 초미립자간에서의 터널 전도는 불가능해지므로, 2 층째의 초미립자에 있는 전하는 1 층째의 초미립자를 경유하여 반도체 기판측으로 리크하는 것이 억제된다. 이 현상은, 에너지 준위 분포가 연속적인 벌크의 재료로는 생길 수 없는 것이다. 초미립자의 치수가 충분히 작고, 에너지 준위 분포가 양자화하여 이산된 상태에 있는 경우에 있어서 발현하고, 이에 따라 터널 현상에 의한 전하의 이동을 억제하는 것이 가능해진다.When there is no coinciding energy level, tunnel conduction between these ultrafine particles becomes impossible, so that charges in the ultrafine particles of the second layer are prevented from leaking to the semiconductor substrate side via the ultrafine particles of the first layer. This phenomenon cannot occur with a bulk material whose energy level distribution is continuous. It is expressed when the size of the ultrafine particles is sufficiently small and the energy level distribution is in a quantized and discrete state, whereby it becomes possible to suppress the movement of charge due to the tunnel phenomenon.

이상이 초미립자의 다층 구조에 의한 전하 유지 특성이 향상되는 물리적 이유의 설명이다. 상기 기술한 클롬 블리케이트 효과나 양자화 효과를 유효하게 얻기 위해서는, 초미립자 하나 하나의 치수는 작은 것이 바람직하고, 5㎚ 이하가 바람직하며, 3㎚ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또, 클롬 블리케이트 효과를 공간적으로 일 양태로 하기 위해, 초미립자의 면밀도는 10+12 내지 10+14/㎠ 로 하는 것이 바람직하다.The above is explanation of the physical reason that the charge retention characteristic by the multilayer structure of ultrafine particles is improved. In order to effectively obtain the above-described chrome blecate effect or quantization effect, the size of each ultrafine particle is preferably small, preferably 5 nm or less, and more preferably 3 nm or less. The keulrom to locate the assembly effect in one aspect is spatially, it is preferable that the area density of the super fine particles is that 10 to +12 10 +14 / ㎠.

또한, 터널 접합 용량을 작게 하고, 접합간 저항을 크게 하기 위하여, 초미립자의 외각 간격 거리, 이 경우에는 제 1 층째와 제 2 층째 사이의 거리는, 어느 정도 넓은 것이 좋고, 1nm 이상인 것이 바람직하다. 단, 간격이 지나치게 크면 반도체 기판과 제어 게이트 전극의 간격이 넓어지고, 채널 길이가 작은 디바이스의 경우에서는 단(短)채널 효과를 일으키기 때문에, 5㎚ 를 외각 간격 거리의 상한으로 하는 것이 바람직하다.In addition, in order to reduce the tunnel junction capacity and increase the inter-junction resistance, the outer interval distance of the ultrafine particles, in this case, the distance between the first layer and the second layer is preferably somewhat wider, and preferably 1 nm or more. However, if the interval is too large, the interval between the semiconductor substrate and the control gate electrode is widened, and in the case of a device with a small channel length, the short channel effect is caused. Therefore, it is preferable to set 5 nm as the upper limit of the outer interval distance.

본 발명에 관련된 전하 유지층의 형성 방법은, 물리적 막 형성법에 의한 1 회의 프로세스로 형성된다. 전하 유지상의 형성 방법으로서, CVD 법을 채용하는 것도 생각할 수 있지만, CVD 법의 경우에는 초미립자와 모상 절연체를 각각 따로 따로 형성해야 하기 때문에, 초미립자의 분산 상태를 3 차원적으로 다층으로 형성하는 방법이 복잡하였다. 한편, 본 발명에 의한 형성 방법에 의하면, 초미립자와 모상 절연체가 동시에 형성되고, 초미립자가 분산된 구조가 자기 조직적으로 얻어지므로, 매우 용이하고 저렴하게 형성할 수 있다. 이러한 점에서, 상기와 같은 초미립자의 다층 구조의 형성에 있어서, 본 발명에 있어서의 전하 유지층의 형성 방법은 매우 적합하다.The method for forming the charge holding layer according to the present invention is formed in one process by a physical film forming method. Although it is conceivable to employ the CVD method as a method for forming the charge retaining phase, in the case of the CVD method, since the ultrafine particles and the parent insulator must be formed separately, a method of forming the dispersed state of the ultrafine particles in three dimensions in multiple layers is required. It was complicated. On the other hand, according to the forming method of the present invention, since the ultrafine particles and the mother-like insulator are formed at the same time, and the structure in which the ultrafine particles are dispersed is self-organized, it can be formed very easily and inexpensively. In this regard, in the formation of the multilayer structure of the ultrafine particles as described above, the method of forming the charge holding layer in the present invention is very suitable.

전하 유지층의 형성 방법에 관한 상기 비교에 있어서, 더욱 자세하게는 다음과 같이 설명된다. CVD 법은 물리적 막 형성법과 비교하여, 막 형성시의 기상 압력이 높고 반응 원자종 및 반응 분자종의 기상에 있어서의 충돌 빈도가 높은 것, 또 기상 온도 및 기판 표면 온도가 높은 등의 이유에 의해, 상이 분리되지 않는 단일상의 막, 즉 평형상의 막이 형성되기 쉽다. 따라서, 본 발명의 전하 유지층과 같은 초미립자와 모상 절연체가 분리된 상태에 있는, 즉 비평형 상태 또는 준평형 상태의 막을 형성하는 경우에는 화학 증착법은 적합하지 않다. 또, CVD 법에 적용 가능한 원료 가스의 종류는 스퍼터링법 등 물리적 증착법과 비교하여 그다지 많지 않고, 특히 금속막을 막 형성하기 위한 원료 가스종은 적다. 또한, 반응로 내에 동시 공급 가능한 가스종의 조합수는 더욱 적고, 따라서 막 형성 가능한 재료가 한정되기 때문에, 이 점에서도 화학 증착법은 적합하지 않다.In the above comparison regarding the method for forming the charge holding layer, it is explained in more detail as follows. Compared with the physical film formation method, the CVD method has a high gas phase pressure at the time of film formation, a high frequency of collisions in the gas phase of reactive atomic species and reactive molecular species, and a high gas phase temperature and a substrate surface temperature. It is easy to form a single phase film, that is, an equilibrium film, in which phases are not separated. Therefore, chemical vapor deposition is not suitable when ultrafine particles such as the charge holding layer of the present invention and the parent insulator are separated, that is, when a film in a non-equilibrium or quasi-equilibrium state is formed. In addition, the kind of source gas applicable to the CVD method is not so large as compared with the physical vapor deposition method such as sputtering method, and in particular, there are few source gas species for forming the metal film. In addition, since the number of combinations of gas species that can be simultaneously supplied into the reactor is smaller, and therefore the material that can form a film is limited, the chemical vapor deposition method is also not suitable in this respect.

한편, 물리적 막 형성법에 의하면, 막 형성에 관련된 반응 원자, 분자끼리의 기상에서의 충돌 빈도가 낮은 점, 기판 온도가 낮은 점 등의 이유에서, 본 발명의 전하 유지층과 같은 비평형 상태 또는 준평형 상태의 막이 형성되기 쉽다.On the other hand, according to the physical film formation method, the non-equilibrium state or quasi-like state of the charge holding layer of the present invention is due to the reason that the reaction atoms involved in the film formation, the collision frequency between molecules in the gas phase are low, and the substrate temperature is low. Equilibrium films are likely to form.

전하 유지층을 형성하기 위한 물리적 증착법으로서는, 스퍼터링법, 열증착법, 전자빔 증착법, 레이저 어플레이션법, 분자선 에피택시법 등을 들 수 있다. 이 중에서도 스퍼터링법은, 막 형성 재료를 폭넓게 선택할 수 있는 점, 막 형성 입자의 기판에 대한 입사 에너지가 높기 때문에 원자간 결합력이 높고 치밀한 막을 얻기 쉬운 점, 베이스와의 밀착성이 높은 막을 얻을 수 있는 점 등에 추가하여, 양산성이 우수하므로, 특히 바람직하다.As a physical vapor deposition method for forming a charge holding layer, sputtering method, thermal vapor deposition method, electron beam vapor deposition method, laser application method, molecular beam epitaxy method etc. are mentioned. Among these, the sputtering method can select a film forming material widely, the high energy of incidence of the film-forming particles on the substrate, the high atomic bonding force and the easy to obtain a dense film, and the high adhesion film to the base can be obtained. In addition to these, etc., since it is excellent in mass productivity, it is especially preferable.

또한 스퍼터링법은, 본 발명에 있어서의 자기 조직화에 있어서 적절한 막 형성 조건이 얻어지므로 바람직하다. 예를 들어, 기상 압력이 충분히 낮고, 또한 온도가 낮지도 높지도 않은 적당한 기판 온도가 얻어지므로, 기판 표면 상에서 막 형성 종 입자가 적당한 마이그레이션을 일으킴으로써 자기 조직화를 얻을 수 있다.In addition, the sputtering method is preferable because suitable film forming conditions are obtained in the self-organization in the present invention. For example, since a suitable substrate temperature is obtained, which is low enough in gas phase pressure and not low or high in temperature, self-organization can be obtained by causing suitable migration of film forming seed particles on the substrate surface.

본 발명에 있어서의 자기 조직화란, 초미립자를 구성하는 원자군과 모상 절연체를 구성하는 원자군이 열역학적 상호 작용 등에 의해 자발적으로 각각 분리 배열하고, 그 결과 모상 절연체상 중에 금속 또는 반도체의 나노 스케일의 초미립자가 집합, 조직화되는 것을 가리킨다. 이 자기 조직화에 의한 원자 배열의 양태는, 초미립자 구성 재료와 모상 절연체 구성 재료의 조합이나 존재 비율, 및 플라즈마에 대한 인가 전력이나 막 형성 압력이나 기판 온도 등의 막 형성 조건 등에 영향을 받는다.In the present invention, the self-organization means that the atomic group constituting the ultrafine particles and the atomic group constituting the parent insulator are spontaneously separated and arranged by thermodynamic interaction or the like, and as a result, nano-scale ultra-fine particles of a metal or semiconductor in the mother phase insulator phase. Indicates aggregation and organization. The aspect of the atomic arrangement by self-organization is influenced by the combination and the ratio of the ultrafine particle constituent material and the parent insulator constituent material, and film forming conditions such as the applied power to the plasma, the film forming pressure, the substrate temperature, and the like.

또한, 스퍼터링 장치로서는, 베이스의 터널 절연막에 대하여 저데미지인 점 에서, 유도 결합형 플라즈마 (ICP) 나 전자파 결합형 플라즈마 (ECR 플라즈마) 를 이용하는 것, 또는 대향 타겟 방식의 장치가 바람직하고, 및 이들의 막 형성 장치 에 있어서 막 형성 기판에 적당한 바이어스 전압이 주어지는 기능을 갖는 장치를 이용하는 것이, 막 형성 입자의 기판에 대한 입사 에너지를 제어할 수 있는 점에서 보다 바람직하다.Further, as the sputtering device, since it is low damage with respect to the tunnel insulating film of the base, it is preferable to use an inductively coupled plasma (ICP) or an electromagnetically coupled plasma (ECR plasma) or an apparatus of an opposing target method, and these In the film forming apparatus of the present invention, it is more preferable to use an apparatus having a function of giving a suitable bias voltage to the film forming substrate in terms of being able to control the incident energy of the film forming particles to the substrate.

스퍼터링법에 의해 전하 유지층을 형성하는 경우, 분산 초미립자의 상을 형성하는 재료와, 모상 절연체의 상을 형성하는 재료를 동시에 스퍼터링할 필요가 있다. 각각의 상의 재료를 따로 따로 준비하고, 그들 복수의 타겟을 동시에 스퍼터링하는 방법, 또는 하나의 타겟에 양상 재료를 혼재시켜 스퍼터링하는 방법이 있다. 후자는 또한 양상 재료의 혼합 분말을 소결시킨 것, 또는 일방의 상의 재료의 단일상 타겟에 타방의 상의 재료의 칩편을 표면에 노출되도록 적당 수를 매립한 것 등을 사용할 수 있다.When forming a charge holding layer by the sputtering method, it is necessary to sputter | spatter the material which forms the image of a dispersion ultrafine particle, and the material which forms the image of a mother phase insulator simultaneously. There is a method of separately preparing the material of each phase and sputtering a plurality of these targets at the same time, or a method of mixing the sputtering material in one target. The latter can also be used by sintering a mixed powder of the modal material, or by embedding a suitable number of chips so that the chip pieces of the other phase material are exposed on the surface to the single phase target of the one phase material.

또, 타겟의 스퍼터링면이 막 형성 장치의 막 형성실에 있어서 연직 상향으로 형성되는 경우에는, 일방의 상의 재료의 단일상 타겟 상에 타방의 상의 재료의 칩편을 적당수 이상 실은 만큼의 것, 또는 양상의 혼합 분말을 유리 샬레 등에 깔아 채운 만큼의 것도 타겟으로서 이용할 수 있다. 단, 분말 타겟은 막 형성 환경 에 있어서 분말이 비산하고 다른 반도체 제조 프로세스에 악영향을 미칠 우려가 있는 등의 이유에 의해, 반도체 디바이스를 작성하는데 있어서는 매우 바람직하지 않다.Moreover, when the sputtering surface of a target is formed vertically upward in the film formation chamber of a film forming apparatus, as much as the number of chip | tip pieces of the material of the other phase was carried out on the single phase target of the material of one phase, or more. As long as the mixed powder of an aspect is spread | filled with a glass chalet etc., it can also be used as a target. However, the powder target is very unpreferable in producing a semiconductor device for the reason that powder may scatter in a film formation environment, and may adversely affect another semiconductor manufacturing process.

스퍼터링법에 의한 전하 유지층의 형성 프로세스에 있어서, 타겟 조성 및 막 형성 조건을 제어함으로써, 매트릭스상 중에 성장하는 분산상의 평균 입자 지름, 밀도가 변화된다. 특히, 분산상과 매트릭스상의 부피 분율 및 막 형성 조건 (스퍼터링시의 Ar 가스압 및 기판 온도 등) 에 의해 변화되는 것이 확인된다. 결과의 일례를 나타내면, Co-Si02 계의 타겟을 이용하여 Si02 중에 Co 금속 초미립자가 분산된 막을 형성하는 경우, Co 와 SiO2 의 부피비를 50:50 으로 하여 0.5Pa 의 Ar 가스압으로 막 형성한 경우에는 Co 입자의 입경이 약 2㎚ 인데 대하여, 8Pa 의 가스압으로 막 형성한 경우에는 입경이 약 5㎚ 인 Co 입자가 얻어졌다.In the process of forming the charge holding layer by the sputtering method, by controlling the target composition and film formation conditions, the average particle diameter and density of the dispersed phase growing in the matrix phase are changed. In particular, it is confirmed that it is changed by the volume fraction of the dispersed phase and the matrix phase, and the film forming conditions (Ar gas pressure and substrate temperature during sputtering). As an example of the results, in the case of forming a film in which Co metal ultrafine particles are dispersed in Si0 2 using a Co-Si0 2 target, the film is formed at an Ar gas pressure of 0.5 Pa with a volume ratio of Co and SiO 2 of 50:50. In one case, while the particle size of the Co particles was about 2 nm, when the film was formed with a gas pressure of 8 Pa, Co particles having a particle diameter of about 5 nm were obtained.

또, Co-SiO2 계 타겟의 Co 와 SiO2 의 부피비를 23:77 로 하면 밀도가 1×10+13/㎠, 초미립자의 외각 간격 거리가 0.9㎚ 인 것에 대하여, 부피비를 10:90 으로 하면 밀도가 7×10+12/㎠, 외각 간격은 1.8㎚ 가 되었다. 이와 같이, 타겟의 조성비를 조절함으로써 초미립자의 밀도와 외각 간격 거리를 제어하는 것이 가능하다.When the volume ratio of Co and SiO 2 of the Co-SiO 2 target is 23:77, the density ratio is 1 × 10 +13 / cm 2 and the outer space distance of the ultrafine particles is 0.9 nm. The density became 7x10 + 12 / cm <2> and the outer space | interval was 1.8 nm. In this way, by adjusting the composition ratio of the target, it is possible to control the density of the ultrafine particles and the outer gap distance.

게이트 절연막 (4) 은 데이터의 기록 및 소거 동작을 고속으로 실시하는 것, 또는 제어 게이트 전압에 의한 p 형 반도체 기판 (1) 의 표면 부근의 전계 분포의 제어성을 높이기 위해, 다음의 조건을 만족하는 것이 좋다. 즉, 제어 게이트 전극 (5) 과 p 형 반도체 기판 (1) 의 용량 결합, 및 제어 게이트 전극 (5) 과 부유 게이트, 즉 금속 초미립자 (3a2) 와의 용량 결합이 높아지도록 그 막두께나 재료를 결정하는 것이 좋고, 물리적인 두께를 얇게 하고, 또 유전율이 높은 물질을 선택하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 두께는 10nm 이하, 물질로서는 SiO2 외에, 상기 SiOxNy 계 재료, 또는 SiO2 와 SiOxNy (0≤x<2, 0<y≤4/3; 또한, x, y 가 2x+3y=4 를 만족하는 것이 보다 바람직하다) 의 적층막 등을 바람직하게 이용할 수 있다.The gate insulating film 4 satisfies the following conditions in order to perform data writing and erasing operation at high speed, or to improve the controllability of the electric field distribution near the surface of the p-type semiconductor substrate 1 by the control gate voltage. Good to do. That is, the film thickness and the material are determined so that the capacitive coupling between the control gate electrode 5 and the p-type semiconductor substrate 1 and the capacitive coupling between the control gate electrode 5 and the floating gate, that is, the metal ultrafine particles 3a2, are increased. It is preferable to select a material having a low physical thickness and a high dielectric constant. Specifically, the thickness is 10 nm or less, in addition to SiO 2 as the material, the SiO x N y- based material or SiO 2 and SiO x N y (0 ≦ x <2, 0 < y ≦ 4/3; It is more preferable to use a laminated film of y) and more preferably satisfy 2x + 3y = 4.

일함수 또는 전자 친화력이 4.2eV 이상인 재료를 입자 직경 5㎚ 이하의 초미립자로 하고, 또한 그 초미립자를 전자 친화력 1.0eV 이하의 비정질 절연체 중에 고밀도로 분산시킨 박막을 이용한, 본 발명의 불휘발성 반도체 기억 소자의 전하 유지층은, 많은 전하를 독립적으로 분산하여 유지할 수 있고, 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전자를 유지하는 능력이 높다. 이 높은 전하 유지 능력에 의해, 터널 절연막, 및 전하 유지층과 제어 게이트 전극 사이에 삽입되는 게이트 절연막의 두께를 얇게 하는 것이 가능해진다. 이것은 기록, 소거의 각 동작 속도를 높이는 것, 구동 전압을 저감시키는 것, 및 소자의 미세화, 고집적화를 실시하는 데 있어서 매우 유리하다.The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention uses a thin film having a work function or a material having an electron affinity of 4.2 eV or more as an ultrafine particle having a particle diameter of 5 nm or less and a thin film in which the ultrafine particles are dispersed in a high density in an amorphous insulator having an electron affinity of 1.0 eV or less. The charge holding layer can have a large amount of charges independently dispersed and retained, and has a high ability to hold electrons in an environment at room temperature and high temperature. This high charge holding capability makes it possible to reduce the thickness of the tunnel insulating film and the gate insulating film inserted between the charge holding layer and the control gate electrode. This is very advantageous in increasing the operation speed of writing and erasing, reducing the driving voltage, and miniaturizing and integrating elements.

또한, 반도체 기판 또는 제어 게이트 전극의 일함수의 차가 0.5eV 이하인 일함수를 갖는 재료를 입자 직경 5㎚ 이하의 초미립자로 하고, 또한 그 초미립자를 전자 친화력 1.0eV 이하의 비정질 절연체 중에 고밀도로 분산시킨 박막을 이용한, 본 발명의 불휘발성 반도체 기억 소자의 전하 유지층은, 많은 전하를 독립적으로 분산하여 유지할 수 있고, 또한 에너지 장벽의 실효치의 저하를 억제할 수 있기 때문에, 실온 및 고온에서의 환경 하에 있어서의 전자를 유지하는 능력이 매우 높다. 이 높은 전하 유지 능력에 의해, 터널 절연막, 및 전하 유지층과 제어 게이트 전극 사이에 삽입되는 절연막의 두께를 얇게 하는 것이 가능해진다. 이것은 기록, 소거의 각 동작 속도를 높이는 것, 구동 전압을 저감시키는 것, 및 소자의 미세화, 고집적화를 실시하는데 있어서 매우 유리하다.Further, a thin film in which a material having a work function of 0.5 eV or less in a semiconductor substrate or a control gate electrode is made of ultra fine particles having a particle diameter of 5 nm or less, and the ultra fine particles are dispersed at high density in an amorphous insulator having an electron affinity of 1.0 eV or less. The charge holding layer of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention can disperse and hold a large amount of charges independently, and can suppress a decrease in the effective value of the energy barrier. The ability to retain the electrons is very high. This high charge holding capability makes it possible to reduce the thickness of the tunnel insulating film and the insulating film inserted between the charge holding layer and the control gate electrode. This is very advantageous in increasing the operation speed of writing and erasing, reducing the driving voltage, and miniaturizing and integrating elements.

또한, 전하 유지층 내에서 인접하는 초미립자의 외각 간격 거리가 1㎚ 이상 5㎚ 이하가 되도록 초미립자를 분산시킴으로서, 유지된 전하의 인접 초미립자간 이동을 억제할 수 있다. 이것은, 소자의 특성으로서 특히 재기록 내성을 높이는 것 및 동작을 안정적으로 실시하는데 있어서 매우 유리하다. 또한, 상기 기술한 높은 전하 유지 특성에 의해서도, 전하 유지층 내에서 인접하는 초미립자간에서의 전하의 이동이 억제되기 때문에, 재기록 특성의 향상이나 다치 동작의 안정화에 유효해진다.In addition, by dispersing the ultrafine particles so that the outer interval distance of the adjacent ultrafine particles in the charge holding layer is 1 nm or more and 5 nm or less, the movement between the adjacent ultrafine particles of the retained charge can be suppressed. This is very advantageous in terms of the characteristics of the device, particularly in increasing the rewrite resistance and stably performing the operation. In addition, the high charge retention characteristics described above also suppress movement of charges between adjacent ultrafine particles in the charge retention layer, and thus are effective for improving rewriting characteristics and stabilizing multi-valued operations.

또, 상기 전하 유지층을 형성할 때에 스퍼터링법을 이용함으로써, 여러가지 조성의 재료를 분산상 및 매트릭스 상에 선택할 수 있고, 또, 막 형성 프로세스로서 종래부터 있던 반도체 제조 프로세스에 용이하게 삽입할 수 있기 때문에, 종래의 프로세스를 크게 변경하지 않고, 양호한 재현성과 고성능을 가진 불휘발성 반도체 기억 소자를 공급할 수 있다.In addition, by using the sputtering method when forming the charge holding layer, a material having various compositions can be selected on a dispersed phase and a matrix, and since it can be easily inserted into a conventional semiconductor manufacturing process as a film forming process, The nonvolatile semiconductor memory device having good reproducibility and high performance can be supplied without greatly changing the conventional process.

이하에 실시예를 서술한다.An Example is described below.

[예 1] [Example 1]

본 예의 불휘발성 반도체 기억 소자에 관하여, 도 2 를 이용하여 설명한다. p 형 반도체 기판 (1) 상에 터널 절연막 (2) 을 형성하였다. 이 터널 절연막 (2) 은 반도체 기판을 800℃ 에서 열산화한 것으로, 두께 5㎚ 이다.The nonvolatile semiconductor memory device of this example will be described with reference to FIG. 2. The tunnel insulating film 2 was formed on the p-type semiconductor substrate 1. The tunnel insulating film 2 is thermally oxidized at 800 ° C. and has a thickness of 5 nm.

그 후, 금속 초미립자 (3a2) 를 함유하는 모상 절연체 (3b) 로 이루어지는 전하 유지층 (3) 을 용량 결합형 마그네트론 스퍼터링법에 의해 이하의 요령으로 두께 5㎚ 형성하였다. 금속 초미립자로서 5.0eV 의 일함수를 갖는 Co, 모상 절연체로서 1.0eV 의 전자 친화력을 갖는 비정질 SiO2 를 선택하였다. 스퍼터링시에는, 직경 3 인치 (7.62㎝) 의 SiO2 타겟 상에 가로세로 5㎜ 의 Co 칩을 둔 타겟을 이용하였다. 타겟의 수직 투영 표면적 중, 20% 를 차지하도록 Co 칩의 양을 조절하였다.Thereafter, the charge holding layer 3 made of the mother-like insulator 3b containing the ultrafine metal particles 3a2 was formed with a thickness of 5 nm by the following method by the capacitively coupled magnetron sputtering method. Co having a work function of 5.0 eV as the ultrafine metal particles and amorphous SiO 2 having an electron affinity of 1.0 eV were selected as the mother phase insulator. At the time of sputtering, a target having a 5 mm Co chip on a 3 inch diameter (7.62 cm) SiO 2 target was used. The amount of Co chip was adjusted to occupy 20% of the vertical projection surface area of the target.

스퍼터링 장치의 막 형성실을 5×10-4Pa 까지 배기한 후, Ar 가스를 도입하고, 막 형성실의 가스압이 0.5Pa 가 되도록 가스 유량을 조절하였다. 200W 의 고주파 (13.56MHz) 전력의 공급에 의해 플라즈마를 발생시켰다. 이렇게 하여 형성한 Co-SiO2 복합막을 TEM (투과형 전자 현미경) 으로 관찰한 결과, 비정질의 SiO2 중에 평균 입자 직경 약 2㎚ 의 Co 결정의 초미립자가 대략 8×1012/㎠ 의 면밀도로 분산되어 있는 것이 확인되고, 외각 간격 거리는 1.6㎚ 로 추정하였다.After exhausting the film formation chamber of a sputtering apparatus to 5x10 <-4> Pa, Ar gas was introduce | transduced and gas flow volume was adjusted so that the gas pressure of the film formation chamber might be set to 0.5 Pa. The plasma was generated by supplying a high frequency (13.56 MHz) power of 200 W. The Co-SiO 2 composite film thus formed was observed with a TEM (transmission electron microscope). As a result, ultrafine particles of Co crystals having an average particle diameter of about 2 nm were dispersed in an amorphous SiO 2 with a surface density of approximately 8 × 10 12 / cm 2. It was confirmed that there existed, and the outer space | interval distance was estimated to be 1.6 nm.

Co-SiO2 복합막 상에 게이트 절연막 (4) 으로서 SiO2 막을 형성한 후, 제어 게이트 전극 (5) 으로서 텅스텐 나이트라이드 (W2N) 및 텅스텐을 스퍼터링법에 의해 적층 막을 형성하였다. 그 후, 하드 마스크로서 이용하는 Si02 막을 막 형성하였다. 포지티브형의 포토레지스트를 게이트 에칭용 마스크로서 패터닝하고, Si02 하드 마스크를 에칭한 후, 추가로 제어 게이트 전극 (5) 인 텅스텐 및 텅스텐 나이트라이드, 게이트 절연막 (4), 전하 유지층 (3) 을 드라이 에칭하였다. 그 후, As 의 이온 주입 및 어닐링 처리에 의해 소스 영역 (6), 드레인 영역 (7) 을 형성하였다. 보호막을 막 형성한 후, 컨택트홀을 형성하고, 소스 영역 (6), 드레인 영역 (7), 제어 게이트 전극 (5) 에 접촉하도록 Al 전극을 형성하였다.After the SiO 2 film was formed as the gate insulating film 4 on the Co—SiO 2 composite film, a laminated film was formed by sputtering tungsten nitride (W 2 N) and tungsten as the control gate electrode 5. Thereafter, a Si0 2 film used as a hard mask was formed into a film. After patterning the positive photoresist as a mask for gate etching, etching the Si0 2 hard mask, further, the control gate electrode 5, tungsten and tungsten nitride, the gate insulating film 4, and the charge holding layer 3 Was dry etched. Thereafter, the source region 6 and the drain region 7 were formed by ion implantation and annealing of As. After the protective film was formed, a contact hole was formed, and an Al electrode was formed so as to be in contact with the source region 6, the drain region 7, and the control gate electrode 5.

이렇게 하여 제조된 Co-SiO2 계 전하 유지층을 갖는 메모리 셀은, 동일한 방법을 이용하여 제조한 Si 초미립자를 갖는 각 메모리 셀과 비교하여 전하 유지 시간이 매우 길고, 측정 결과의 외삽에 의해 유지 시간은 20 년을 넘는 것으로 나타났다. 또한, 1 기억 소자당 2 비트의 정보를 기억할 수 있는 것이 확인되었다.The memory cell having the Co-SiO 2 based charge holding layer thus produced has a very long charge holding time compared with each memory cell having Si ultrafine particles prepared using the same method, and the holding time by extrapolation of the measurement result. Appeared to be over twenty years. It has also been confirmed that two bits of information can be stored per memory element.

[예 2] [Example 2]

본 예의 불휘발성 반도체 기억 소자에 관하여, 도 3 을 이용하여 설명한다. p 형 반도체 기판 (1) 으로서 p 형 SOI 층 (1a) 을 갖는 SOI (Silicon On Insulator) 기판을 이용하였다. 메사 가공으로 소자 분리를 실시하고, 임계치 조절을 위한 붕소 (B) 주입을 실시하였다. 이 때의 p 형 SOI 층 (1a) 의 일함수는 4.95eV 로 추정하였다. 그 후, p 형 SOI 층 (1a) 상 표면에 터널 절연막 (2) 을 형성하였다. 이 터널 절연막 (2) 은 반도체 기판을 800℃ 에서 열산화한 것으로, 두께 3㎚ 이다.The nonvolatile semiconductor memory device of this example will be described with reference to FIG. 3. As the p-type semiconductor substrate 1, an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a p-type SOI layer 1a was used. Device separation was performed by mesa processing, and boron (B) implantation was performed for threshold adjustment. The work function of the p-type SOI layer 1a at this time was estimated to be 4.95 eV. Thereafter, the tunnel insulating film 2 was formed on the surface of the p-type SOI layer 1a. The tunnel insulating film 2 is thermally oxidized at 800 ° C. at a temperature of 3 nm.

그 후, 금속 초미립자 (3a2) 를 함유하는 모상 절연체 (3b) 로 이루어지는 전하 유지층 (3) 을 용량 결합형 마그네트론 스퍼터링법에 의해 이하의 요령으로 두께 5㎚ 형성하였다. 금속 초미립자의 재료로서 4.7eV 의 일함수를 갖는 Ru, 모상 절연체로서 부의 일함수를 갖는 AlN 을 선택하였다. 이 경우, p 형 SOI 기판 (1a) 과 Ru 초미립자 (3a2) 의 일함수 차이는 0.25eV 이다. 스퍼터링시에는, 고순도 Ru 및 고순도 AlN 의 분말을 10:90Vol% 의 비율로 혼합한 것을 소결 시킨 소결 타겟을 이용하였다.Thereafter, the charge holding layer 3 made of the mother-like insulator 3b containing the ultrafine metal particles 3a2 was formed with a thickness of 5 nm by the following method by the capacitively coupled magnetron sputtering method. Ru having a work function of 4.7 eV as the material of the metal ultrafine particles, and AlN having a negative work function as the parent insulator were selected. In this case, the work function difference between the p-type SOI substrate 1a and the Ru ultrafine particles 3a2 is 0.25 eV. In sputtering, a sintered target obtained by sintering a mixture of high purity Ru and high purity AlN at a ratio of 10:90 Vol% was used.

스퍼터링 장치의 막 형성실을 5×10-4Pa 까지 배기한 후에 가스를 도입하고, 막 형성실의 가스압이 0.5Pa 가 되도록 가스 유량을 조절하였다. 200W 의 고주파 (13.56MHz) 전력의 공급에 의해 플라즈마를 발생시키고, Ru-AlN 계 전하 유지층을 3㎚ 퇴적하였다. TEM 에 의해 막을 평가한 결과, 2㎚ 의 크기로 8×10+12/㎠ 의 밀도를 갖는 Ru 초미립자가 비정질 AlN 모재 절연체 중에 분산되어 있는 것을 확인하였다.After exhausting the film formation chamber of a sputtering apparatus to 5 * 10 <-4> Pa, gas was introduce | transduced and gas flow volume was adjusted so that the gas pressure of the film formation chamber might be set to 0.5Pa. Plasma was generated by supplying a high frequency (13.56 MHz) electric power of 200 W, and a 3 nm of Ru-AlN type charge holding layer was deposited. As a result of evaluating the film by TEM, it was confirmed that Ru ultrafine particles having a density of 8 × 10 +12 / cm 2 at a size of 2 nm were dispersed in the amorphous AlN base material insulator.

Ru-AlN 복합막 상에 게이트 절연막 (4) 으로서 SiO2 막을 형성한 후, 제어 게이트 전극 (5) 으로서 다결정 Si 를 저압 CVD 법에 의해 막 형성하였다. 그 후 포지티브형의 포토레지스트를 게이트 에칭용 마스크로서 패터닝하고, 제어 게이트 전극 (5) 인 다결정 (Si), 게이트 절연막 (4), 전하 유지층 (3) 을 드라이 에칭에 의해 가공하였다.After the SiO 2 film was formed as the gate insulating film 4 on the Ru-AlN composite film, polycrystalline Si was formed as a control gate electrode 5 by low pressure CVD. Then, the positive photoresist was patterned as a mask for gate etching, and the polycrystal (Si), the gate insulating film 4, and the charge holding layer 3 which are control gate electrodes 5 were processed by dry etching.

As 이온을 저에너지로 주입하고 얕은 접합 영역 (6a, 7a) 을 형성한 후, 저 압 CVD 에 의해 Si02 막을 막 형성하였다. 이 Si02 막을 이방성으로 에칭함으로써 사이드 월 (8) 을 형성하였다. 그 후 As 이온을 약간 깊게 주입하여 컨택트 영역 (6b, 7b) 을 형성한 후, RTA (Rapid Thermal Anneal) 처리에 의해 소스 영역 (6), 드레인 영역 (7) 의 형성을 완성하였다. 보호막을 막 형성한 후, 컨택트 홀을 형성하고, 소스 영역 (6), 드레인 영역 (7), 제어 게이트 전극 (5) 에 접촉하도록 Al 전극을 형성하였다.After implanting As ions with lower energy to form a shallow junction regions (6a, 7a), Si0 2 film was formed on a film by low pressure CVD. The sidewall 8 was formed by etching this Si0 2 film anisotropically. Thereafter, As ions were implanted slightly to form the contact regions 6b and 7b, and then the formation of the source region 6 and the drain region 7 was completed by RTA (Rapid Thermal Anneal) treatment. After the protective film was formed, a contact hole was formed, and an Al electrode was formed so as to contact the source region 6, the drain region 7, and the control gate electrode 5.

이렇게 하여 제조된 Ru-SiO2 계 전하 유지층을 갖는 메모리 셀에 있어서의, Ru 부유 게이트에 주입된 전자에 대한 포텐셜 장벽의 높이를 추정한 결과, 약 3.7eV 로서, Ru 의 일함수와 산화막의 전자 친화력의 차이는 거의 동일하였다. 이것은, 전자가 부유 게이트에 미리 주입되지 않고, 실효적인 포텐셜 장벽 높이의 저하가 없었던 것을 나타낸다. 또한, 이 포텐셜 장벽의 높이는, 부유 게이트에 주입된 전자의 터널 리크 속도로부터 추정하였다. 동일한 방법을 이용하여 제조한 Si 초미립자를 갖는 각 메모리 셀과 비교하여 전하 유지 시간이 매우 길고, 250℃ 의 환경 하에 있어서의 전하 유지 시간은 측정 데이터의 외삽에 의해 20 년을 넘는 것으로 나타났다. 또, 1 기억 소자당 2 비트의 정보를 기억할 수 있는 것이 확인되었다.As a result of estimating the height of the potential barrier for the electrons injected into the Ru floating gate in the memory cell having the Ru-SiO 2 based charge holding layer thus manufactured, the work function of Ru and the oxide film were approximately 3.7 eV. The difference in electron affinity was nearly identical. This indicates that electrons were not previously injected into the floating gate and there was no decrease in the effective potential barrier height. In addition, the height of this potential barrier was estimated from the tunnel leak rate of the electron injected into the floating gate. The charge holding time was very long compared with each memory cell having Si ultrafine particles manufactured using the same method, and the charge holding time in an environment of 250 ° C. was found to be over 20 years by extrapolation of the measurement data. In addition, it has been confirmed that two bits of information can be stored per memory element.

본 발명에 있어서의 불휘발성 반도체 기억 소자는, 종래의 동종의 기억 소자, 예를 들어 플래쉬 메모리나 Si 초미립자 메모리에 비교하여 실온 및 고온에서 의 환경 하에 있어서의 전하 유지 특성을 비약적으로 향상시킨다. 또한, 그 결과로서 터널 절연막이나 전하 유지층의 상방에 인접하는 게이트 절연막의 박막화를 도모할 수 있고, 이에 따라 데이터의 기록, 소거 속도를 향상시키고, 또한 저전압으로 동작할 수 있다. 또, 소자의 미세화 대응에 있어서도, 상기의 종래 기억 소자에서는 실현이 곤란한 소자 치수에 대한 대응이 가능해진다.The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention dramatically improves the charge retention characteristics in an environment at room temperature and high temperature as compared with a conventional memory device of the same type, for example, a flash memory or an Si ultrafine memory. As a result, it is possible to reduce the thickness of the gate insulating film adjacent to the tunnel insulating film and the charge holding layer, thereby improving the data writing and erasing speed and operating at a low voltage. Moreover, also in correspondence with the miniaturization of an element, correspondence with the element dimension which is difficult to implement | achieve in the said conventional memory element is attained.

또, 본 발명에 의한 불휘발성 반도체 기억 소자가 갖는 상기 효과에 의해, 종래의 불휘발성 반도체 기억 소자에서는 이용이 곤란한 용도나, 기술 분야에 대한 응용이 가능해지고, 특히 휴대 단말 기기에 있어서의 광범위한 응용, 또 DRAM 의 치환에 의해 PC 탑재 메모리의 불휘발화도 가능해지는 것으로 생각된다.In addition, the above-described effects of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention enable applications that are difficult to use in conventional nonvolatile semiconductor memory devices and applications to the technical field, and are particularly applicable to a wide range of applications in portable terminal devices. In addition, it is thought that nonvolatile volatilization of the PC-mounted memory can be made possible by the replacement of DRAM.

또한, 2004년 4월 16일에 출원된 일본 특허출원 2004-121837호, 2004년 4월 26일에 출원된 일본 특허출원 2004-129840호, 그리고 2005년 2월 27일에 출원된 일본 특허출원 2005-30859호 및 일본 특허 출원 2005-30860호의 명세서, 특허청구의 범위, 도면 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하여, 본 발명의 개시로서 받아들인 것이다.Also, Japanese Patent Application No. 2004-121837, filed April 16, 2004, Japanese Patent Application 2004-129840, filed April 26, 2004, and Japanese Patent Application 2005, filed February 27, 2005 The entire contents of -30859 and Japanese Patent Application No. 2005-30860, the claims, the drawings, and the abstract are incorporated herein by reference and are taken as the disclosure of the present invention.

Claims (21)

반도체 기판 표면에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역;A source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate; 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역을 연결하도록, 또는 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 사이에 오도록 형성된 채널 형성 영역;A channel formation region formed to connect the source region and the drain region or between the source region and the drain region; 상기 채널 형성 영역에 접하여 형성된 터널 절연막;A tunnel insulating layer formed in contact with the channel formation region; 상기 터널 절연막에 인접하여 형성된 전하 유지층;A charge holding layer formed adjacent to the tunnel insulating film; 상기 전하 유지층에 인접하여 형성된 게이트 절연막; 및A gate insulating film formed adjacent to the charge holding layer; And 상기 게이트 절연막에 인접하여 형성된 제어 게이트를 구비하며,A control gate formed adjacent to the gate insulating film, 상기 전하 유지층이, 부유 게이트로서 기능하는 입자 직경 5㎚ 이하에서 1 종 이상의 단원소 물질 또는 화합물로 이루어지는 양도체의 초미립자를, 불휘발성 반도체 기억 소자당 1 개 함유하거나 또는 상기 전하 유지층의 평방 센티미터 당 10+12 내지 10+14 개의 밀도로 독립 분산하여 복수개 함유하는 모상 절연체로 이루어지고,The charge holding layer contains one ultrafine particle of a good conductor consisting of at least one single element material or compound having a particle diameter of 5 nm or less that functions as a floating gate per nonvolatile semiconductor memory element, or a square centimeter of the charge holding layer. It consists of a mother-like insulator which contains a plurality of dispersed independently at a density of 10 +12 to 10 +14 per sugar, 상기 모상 절연체가 비정질로서 그 전자 친화력이 1.0eV 이하이고, 또한,The mother insulator is amorphous and its electron affinity is 1.0 eV or less, and 상기 양도체의 초미립자의 일함수가 4.2eV 이상인 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자.The work function of the ultrafine particles of said good conductor is 4.2 eV or more, The nonvolatile semiconductor memory element characterized by the above-mentioned. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 초미립자의 일함수와 상기 반도체 기판의 일함수의 차가 0.5eV 이하인, 불휘발성 반도체 기억 소자.And a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the semiconductor substrate is 0.5 eV or less. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 초미립자의 일함수와 상기 제어 게이트의 일함수의 차가 0.5eV 이하인, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device, wherein a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the control gate is 0.5 eV or less. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1, 2 or 3, 상기 초미립자가 인접하는 상호 외각 간격 거리가 1 내지 5㎚ 인, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ultrafine particles are adjacent to each other with a distance of 1 to 5 nm. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 초미립자의 융점이 1400℃ 이상인, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device having a melting point of at least 1,400 ° C. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 초미립자를 구성하는 원자의 상기 반도체 기판에 있어서의 이온화 에너지와, 상기 반도체 기판의 금제띠의 중심 준위의 에너지의 차의 절대치가, 0.1eV 이상인, 불휘발성 반도체 기억 소자.The absolute value of the difference of the ionization energy in the said semiconductor substrate of the atom which comprises the said ultrafine particle, and the energy of the center level of the gold band of the said semiconductor substrate is 0.1 eV or more, The nonvolatile semiconductor memory element. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 6, 상기 초미립자가 W, Mo, Ti, Pt, Pd, Ni, Ta, Cr, Os, Nb, Ru, Rh 의 원소군 중 적어도 1 종류로 이루어지는 단체 또는 화합물인, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ultrafine particles are a single group or a compound composed of at least one of an element group of W, Mo, Ti, Pt, Pd, Ni, Ta, Cr, Os, Nb, Ru, and Rh. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 7, 상기 전하 유지층을 구성하는 모상 절연체가, 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 및 불화물로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 화합물로 이루어지는, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device, wherein the mother insulator constituting the charge holding layer is formed of at least one compound selected from the group consisting of oxides, carbides, nitrides, borides, silicides, and fluorides. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 8, 상기 전하 유지층을 구성하는 상기 초미립자가 상기 모상 절연체 내에 있어서 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산되어 있는, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device in which the ultrafine particles constituting the charge holding layer are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in the mother insulator. 제 9 항에 기재된, 모상 절연체 중에 초미립자가 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산된 전하 유지층을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법으로서,A manufacturing method of a nonvolatile semiconductor memory device having a charge holding layer in which ultrafine particles are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in a mother-like insulator according to claim 9, 상기 전하 유지층은 초미립자 및 모상 절연체를 구성하는 각각의 재료를 물리적 증착법을 이용하여 자기 조직적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법.The charge holding layer is a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that each material constituting the ultrafine particles and the parent insulator is formed by self-organization by physical vapor deposition. 제 10 항에 있어서, The method of claim 10, 상기 물리적 증착법은 스퍼터링법인, 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방 법.The physical vapor deposition method is a sputtering method. 반도체 기판 표면에 형성된 소스 영역 및 드레인 영역;A source region and a drain region formed on the surface of the semiconductor substrate; 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역을 연결하도록, 또는 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 사이에 오도록 형성된 채널 형성 영역;A channel formation region formed to connect the source region and the drain region or between the source region and the drain region; 상기 채널 형성 영역에 접하여 형성된 터널 절연막;A tunnel insulating layer formed in contact with the channel formation region; 상기 터널 절연막에 인접하여 형성된 전하 유지층;A charge holding layer formed adjacent to the tunnel insulating film; 상기 전하 유지층에 인접하여 형성된 게이트 절연막; 및A gate insulating film formed adjacent to the charge holding layer; And 상기 게이트 절연막에 인접하여 형성된 제어 게이트를 구비하며,A control gate formed adjacent to the gate insulating film, 상기 전하 유지층이, 부유 게이트로서 기능하는 입자 직경 5㎚ 이하에서 1 종 이상의 단원소 물질 또는 화합물로 이루어지는 반도체 또는 절연체의 초미립자를, 불휘발성 반도체 기억 소자당 1 개 함유하거나 또는 상기 전하 유지층의 평방 센티미터당 10+12 내지 10+14개의 밀도로 독립 분산하여 복수개 함유하는 모상 절연체로 이루어지고,The charge holding layer contains one or more ultrafine particles of a semiconductor or insulator composed of one or more single element materials or compounds having a particle diameter of 5 nm or less that functions as a floating gate per nonvolatile semiconductor memory element, or It consists of a mother-like insulator, which contains a plurality of dispersions independently at a density of 10 +12 to 10 +14 per square centimeter, 상기 모상 절연체가 비정질로서 그 전자 친화력이 1.0eV 이하이고, 또한,The mother insulator is amorphous and its electron affinity is 1.0 eV or less, and 상기 초미립자의 전자 친화력이 4.2eV 이상인 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device characterized in that the electron affinity of the ultrafine particles is 4.2 eV or more. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12, 상기 초미립자의 일함수와 상기 반도체 기판의 일함수의 차가 0.5eV 이하인, 불휘발성 반도체 기억 소자.And a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the semiconductor substrate is 0.5 eV or less. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, The method according to claim 12 or 13, 상기 초미립자의 일함수와 상기 제어 게이트의 일함수의 차가 0.5eV 이하인, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device, wherein a difference between the work function of the ultrafine particles and the work function of the control gate is 0.5 eV or less. 제 12 항, 제 13 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 12, 13 or 14, 상기 초미립자가 인접하는 상호 외각 간격 거리가 1 내지 5㎚ 인, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ultrafine particles are adjacent to each other with a distance of 1 to 5 nm. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 12 to 15, 상기 초미립자의 융점이 1400℃ 이상인, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device having a melting point of at least 1,400 ° C. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 12 to 16, 상기 초미립자를 구성하는 원자의 상기 반도체 기판에서의 이온화 에너지와, 상기 반도체 기판의 금제띠의 중심 준위의 에너지의 차의 절대치가 0.1eV 이상인, 불휘발성 반도체 기억 소자.An absolute value of the difference between the ionization energy in the semiconductor substrate of the atoms constituting the ultrafine particles and the energy of the center level of the gold band of the semiconductor substrate is 0.1 eV or more. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 12 to 17, 상기 전하 유지층을 구성하는 모상 절연체가 산화물, 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 및 불화물로 이루어지는 군에서 선택되는 1 종 이상의 화합물로 이루어지는, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device, comprising: at least one compound selected from the group consisting of oxides, carbides, nitrides, borides, silicides, and fluorides. 제 12 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 12 to 18, 상기 전하 유지층을 구성하는 상기 초미립자가 상기 모상 절연체 내에서 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산되어 있는, 불휘발성 반도체 기억 소자.A nonvolatile semiconductor memory device in which the ultrafine particles constituting the charge holding layer are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in the mother insulator. 제 19 항에 기재된, 모상 절연체 중에 초미립자가 2 차원적 또는 3 차원적으로 분산된 전하 유지층을 갖는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법으로서,A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device having a charge holding layer in which ultrafine particles are dispersed two-dimensionally or three-dimensionally in a mother-like insulator according to claim 19, 상기 전하 유지층은 초미립자 및 모상 절연체를 구성하는 각각의 재료를 물리적 증착법을 사용하여 자기 조직적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법. The charge holding layer is a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, characterized in that each material constituting the ultrafine particles and the parent insulator is formed by self-organization by physical vapor deposition. 제 20 항에 있어서, The method of claim 20, 상기 물리적 증착법은 스퍼터링법인, 불휘발성 반도체 기억 소자의 제조 방법.And the physical vapor deposition method is a sputtering method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100890212B1 (en) * 2007-11-23 2009-03-25 고려대학교 산학협력단 Non-volatile memory device and method for manufacturing the same

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