JP2005347328A - Memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MOS(metal-oxide-semiconductor)型またはMIS(metal-insulator-semiconductor)型等の電界効果トランジスタ型の半導体記憶素子に関する。 The present invention relates to a field effect transistor type semiconductor memory element such as a metal-oxide-semiconductor (MOS) type or a metal-insulator-semiconductor (MIS) type.
始めに、本発明の記憶素子と構造が似ている電荷蓄積型記憶素子について説明する。電荷蓄積型記憶素子は、図11に示す膜構成を有し、少なくとも半導体層100、第1の電荷障壁層101、電荷蓄積層102(別名:浮遊ゲート電極)、第2の電荷障壁層103、ゲート電極104(別名:制御ゲート電極)、ソース105、および、ドレイン106を有する。
First, a charge storage memory element having a structure similar to that of the memory element of the present invention will be described. The charge storage memory element has the film configuration shown in FIG. 11, and includes at least a
現在、主に使われているのは、電荷蓄積層102にポリシリコンを用いた浮遊ゲート型の電荷蓄積型記憶素子であり、第1および第2の電荷障壁層101、103はSiO2膜である。電荷蓄積層102はポリシリコンに導電性を持たせ、浮遊ゲートにしている。半導体層100とゲート電極104間に電圧を印加し、第1の電荷障壁層101を介して電荷を半導体層100からゲート電極104に注入し、電荷蓄積層102に電荷を蓄積することにより、MOSトランジスタ閾値を変化させることによって情報を記憶している。
Currently, a floating gate type charge storage type memory element using polysilicon for the
この浮遊ゲート型の電荷蓄積型記憶素子は、情報を10年以上記憶させるため、電荷蓄積層102に貯えた電荷を10年以上保持する。そのため、第1および第2の電荷障壁層101,103は電気的絶縁性に優れている必要があり、弱い電界に対して導通があってはならない。電荷蓄積層102への電荷の注入や引き抜き(すなわち、情報の書き込みや消去)は、半導体層100とゲート電極104間に印加する電圧を高くし、強電界によって第1の電荷障壁層101を流れるファウラー・ノルドハイム(Fowler-Nordheim)型(F−N型)トンネル電流や強電界下で現れる他の伝導機構によって行っている。F−Nトンネル電流は、電界が絶縁膜に形成する三角ポテンシャル障壁よりも、キャリヤがその波動関数の広がりの範囲で電界から獲得する運動エネルギーの方が大きくなった時に流れるので、比較的大きな電界を絶縁膜に印加したとき流れる。
This floating gate type charge storage type storage element holds the charge stored in the
第1の電荷障壁層101には、低電界でのリーク電流がはとんど流れない材料が選ばれ、半導体層100と電荷障壁層101間の障壁の高さが大きく、また、MOS界面特性が優れている必要があるため、もっぱら熱酸化SiO2膜が用いられる。(100)面方位Siの伝導帯の電子に対するSiO2膜の障壁高さΔEc(伝導帯の底のエネルギー差)は、約3.5eV(例えば、非特許文献1参照)である。第2の電荷障壁層103は電流を流さないようにするため、第1の電荷障壁層101より厚くなされている。
The first
情報の読み出しは、電荷の蓄積によって閾値が変化したMOSトランジスタのゲート電極105に電圧を印加し、ソース105・ドレイン106間に電圧を印加したとき電流が流れるか否かによって行われる。この読み出し動作は、通常のMOSトランジスタの動作とはぼ同じであるが、第2の電荷障壁層103と電荷蓄積層102の膜厚が厚いので、高いゲート電圧を印加する必要がある。また、浮遊ゲート型は導通性のあるポリシリコンに電荷を蓄積しており、電荷の保持は第1の電荷障壁層101の絶縁性能に頼っている。そのため、浮遊ゲート型の電荷蓄積型記憶素子は、第1の電荷障壁層101を(SiO2膜で7〜8nm)薄くすることに難があり、したがって、書き込み・消去の低電圧化(現在、10〜20V)も限界に達している。そこで、浮遊ゲートとして働く電荷蓄積層3により多くの電荷を蓄積するために、ポリアセチレンを用いた例(例えば、特許文献1参照)等も提案されている。
Reading of information is performed depending on whether or not a current flows when a voltage is applied to the
電荷蓄積型記憶素子には、上記の浮遊ゲート型の他に、電荷を欠陥がつくる局在準位にトラップさせる絶縁膜トラップ型がある。絶縁膜トラップ型の電荷蓄積型記憶素子においては、電荷蓄積層102にSiN膜やA12O3膜が使われ、これらには、MONOS(metal oxide nitde oxide silicon)型またはNROM(多ビット型)型、あるいは、SONOS(silicon oxide nitride oxide silicon)型などの種類がある(例えば、非特許文献2参照)。絶縁膜トラップ型の電荷蓄積型記憶素子は、将来の大容量化に向け研究・開発が精力的に行われている。また、絶縁膜トラップ型の電荷蓄積型記憶素子は、絶縁膜中の欠陥がつくる局在準位に電荷をトラップさせているため、第1の電荷障壁層101が欠陥等により局部的に導通しても、その欠陥の近傍の局在準位にトラップされている電荷が逃げ出すだけであり、電荷蓄積層102の全ての電荷が逃げ出すわけではなく、第1の電荷障壁層101の絶縁性の要求条件は浮遊ゲート型の電荷蓄積型記憶素子よりも緩和される。そのため、絶縁膜トラップ型の電荷蓄積型記憶素子は、第1の電荷障壁層101をキャリヤがトンネルできるはど薄くすることができ、情報の書き込み・読み出し・消去の電圧を低くすることができる。
In addition to the above floating gate type, the charge storage type storage element includes an insulating film trap type that traps charges at localized levels where defects are generated. In an insulating film trap type charge storage type memory element, a SiN film or an A1 2 O 3 film is used for the
しかし、絶縁膜トラップ型の電荷蓄積型記憶素子にも限界がある。すなわち、絶縁膜トラップ型の電荷蓄積型記憶素子は絶縁膜の深い局在準位に電荷をトラップさせ、トラップ間の伝導を抑制する必要があるため、トラップの空間密度を大きくすることができない。トラップ間の距離は5nm以上必要と考えられている。そのため、トランジスタの閾値を変化させるのに必要な量の電荷をトラップさせるには、絶縁膜に比較的大きな体積が必要である。したがって、素子の微細化に限界があり、また、低電圧化にも限界がある。 However, there is a limit to the insulating film trap type charge storage type storage element. In other words, since the insulating film trap type charge storage type memory element needs to trap charges in the deep localized level of the insulating film and suppress conduction between the traps, the spatial density of the trap cannot be increased. The distance between traps is considered to be 5 nm or more. Therefore, in order to trap the amount of charge necessary to change the threshold value of the transistor, a relatively large volume is required for the insulating film. Therefore, there is a limit to miniaturization of elements, and there is a limit to lowering the voltage.
次に、本発明の記憶素子と動作が似ているダイレクトトンネルメモリについて説明する。ダイレクトトンネルメモリは当初、図11に示した浮遊ゲート型の電荷蓄積型記憶素子の第1の電荷障壁層101を極薄く形成してダイレクトトンネル電流が流れ得るようにし、電荷蓄積層102に電荷を蓄積して記憶動作をさせる記憶素子として考案された。第1の電荷障壁層101を2nm程度に薄くすると、図12のバンドダイヤグラムにその一例を示したように、第1の電荷障壁層101を通してダイレクトトンネル電流が流れ、電荷蓄積層102に電荷を移動させることができる。
Next, a direct tunnel memory similar in operation to the memory element of the present invention will be described. In the direct tunnel memory, first, the first
しかしながら、図11の構造のダイレクトトンネルメモリは、電荷蓄積層102とソース105およびドレイン106とのオーバーラップを介して電荷蓄積層102の電荷がダイレクトトンネル現象によって容易にソース105やドレイン106に逃げてしまうという欠点があった。
However, in the direct tunnel memory having the structure of FIG. 11, the charge in the
そこで、図13に示す構造のダイレクトトンネルメモリが提案された(例えば、非特許文献3参照)。図13において、114、114’はゲート電極であり、電荷蓄積層112の左右に設けられている。図13の構造では、電荷蓄積層112とソース115およびドレイン116がオーバーラップしていないので電荷蓄積層の電荷は逃げにくい。この種のメモリは、低電圧で高速な書き込み/消去が可能であるが、第1の電荷障壁層101をダイレクトトンネルによって電荷が移動するので、長く電荷を保持しておくことができず、フラッシュメモリとDRAM(dynamic random access memory)との中間の電荷保持時間を持つ。ダイレクトトンネル電流は、良く知られているように、第1の電荷障壁101の絶縁膜の厚さに非常に敏感であるため、極薄い電荷障壁層の膜厚の制御と均一性の確保が難しいという欠点がある。
Therefore, a direct tunnel memory having the structure shown in FIG. 13 has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 3). In FIG. 13, 114 and 114 ′ are gate electrodes, which are provided on the left and right sides of the
次に、DRAMについて説明する。DRAMは、一つのトランジシタと一つのキャパシタを一つのセルとした1T1C型が一般的である。情報は、トランジスタのチャンネルを介し、キャパシタに電荷を蓄えることによって書き込まれる。トランジスタはスイッチとしての役割であり、情報はキャパシタに電荷を蓄えることで記憶される。キャパシタに蓄えられた電荷は、主にトランジスタの半導体層(ソース・ドレインと基板のpn接合)を介してリークするため、比較的短時間で無くなってしまう。そこで、情報の検出と再書き込みを頻繁(100msecのオーダー)に行って、情報の記憶を維持している。近年の微細化されたセルにおいては、Si基板に5〜10μmの深い溝(ディープトレンチ)を掘り、溝の表面に酸化膜を成長させた後、溝をポリシリコンで埋め、Si基板とポリシリコンを電極としたキャパシタを用いている。 Next, the DRAM will be described. The DRAM is generally a 1T1C type in which one transistor and one capacitor are used as one cell. Information is written by storing charge in the capacitor through the channel of the transistor. A transistor serves as a switch, and information is stored by storing electric charge in a capacitor. Since the charge stored in the capacitor leaks mainly through the semiconductor layer of the transistor (the pn junction between the source / drain and the substrate), it disappears in a relatively short time. Therefore, information is detected and rewritten frequently (on the order of 100 msec) to maintain information storage. In recent miniaturized cells, a 5-10 μm deep trench (deep trench) is dug in a Si substrate, an oxide film is grown on the surface of the trench, the trench is then filled with polysilicon, and the Si substrate and polysilicon Is used as a capacitor.
最近では、さらに微細化を押し進めるため、配線に円筒型の突起やフィンを形成して面積を拡大し、その表面に絶縁膜と電極を形成してキャパシタを形成している。将来の予測(例えば、非特許文献4参照)においては、高誘電率の絶縁膜を用い、配線上にMIM(metal insulator metal)キャパシタを形成して微細素子の容量を確保しようとしている。DRAMは、このキャパシタをいかに微細化することができるかによって、どれだけ大容量化できるかが決まると言って良い。DRAMにおけるMIMキャパシタの絶縁膜の比誘電率は、非特許文献4によれば、近い将来でも100を超える値が要求されており、また、その将来では、1000を超える値が要求されている。そのような高誘電率を実現する材料としてペロブスカイト型結晶構造を持つ材料が考えられている。また、下部・上部電極にペロブスカイト型結晶の結晶化を促進するPt、Ru、Irなどの高価な金属が必要になる。電極は、高価な材料と機能を分担した多層膜構造になり、製造工程数も格段に多くなるためコストアップが避けられない。
Recently, in order to promote further miniaturization, a cylindrical protrusion or fin is formed on the wiring to increase the area, and an insulating film and an electrode are formed on the surface to form a capacitor. In future predictions (for example, see Non-Patent Document 4), an insulating film having a high dielectric constant is used, and an MIM (metal insulator metal) capacitor is formed on the wiring to secure the capacitance of the fine element. It can be said that the capacity of the DRAM is determined by how much the capacitor can be miniaturized. According to Non-Patent
以上のように、浮遊ゲート型の電荷蓄積型記憶素子では低電圧化に限界があり、また絶縁膜トラップ型の電荷蓄積型記憶素子では素子の微細化に限界があり、さらにダイレクトメモリではダイレクトトンネル電流が障壁層の絶縁膜の厚さに敏感でその膜厚の制御と均一性を確保し難く、さらにDRAMでは1T1C型となりキャパシタが必須でコスト高となるという問題があった。 As described above, the floating gate type charge storage type storage element has a limit to lowering the voltage, the insulating trap type charge storage type storage element has a limit to miniaturization, and the direct memory has a direct tunnel. The current is sensitive to the thickness of the insulating film of the barrier layer, and it is difficult to ensure the control and uniformity of the film thickness. Further, the DRAM has a 1T1C type, and a capacitor is essential, resulting in a high cost.
本発明の目的は、上記した記憶素子とは異なる動作原理に基づき、ショットキー電流によって電荷を移動させ、上記記憶素子が持つ欠点を解消した記憶素子を提案することである。 An object of the present invention is to propose a memory element in which charges are moved by a Schottky current based on an operating principle different from that of the memory element described above, and the drawbacks of the memory element are eliminated.
請求項1にかかる発明の記憶素子は、半導体層、該半導体層上の第1の電荷障壁層、該第1の電荷障壁層上の電荷蓄積層、該電荷蓄積層上の第2の電荷障壁層、および、該第2の電荷障壁層上のゲート電極を少なくとも有する電界効果トランジスタ型半導体記憶素子において、前記半導体層、前記第1の電荷障壁層、前記電荷蓄積層に所定の材料を用いることにより、前記半導体層と前記電荷蓄積層間にショットキー放出による電気伝導を生じせしめ、前記電荷蓄積層に電荷を貯え、前記電荷による前記電界効果型トランジスタの閾値の変化により情報を記憶することを持緻とする。
The memory element of the invention according to
請求項2にかかる発明は、請求項1に記載の記憶素子において、前記半導体層は、1eV前後のエネルギーギャップを有する以下の材料の半導体:単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Ge、SiGe、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、InP、InPを母体とする化合物半導体、InN、β−FeSi2の中から選ばれた一つを材料とし、前記第1の電荷障壁層は、前記半導体層の電荷に対する第1の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)となり、かつ、前記電荷蓄積層の前記電荷に対する第2の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)となる材料であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the memory element according to the first aspect, the semiconductor layer has a semiconductor with the following material having an energy gap of about 1 eV: single crystal silicon, polysilicon, amorphous silicon, Ge, SiGe, A material selected from GaAs, a compound semiconductor based on GaAs, a compound semiconductor based on InP, InP, and InN, β-FeSi 2 , and the first charge barrier layer is the semiconductor layer The first barrier against the electric charge is 2 eV or less (excluding 0 eV), and the second barrier against the electric charge in the charge storage layer is 2 eV or less (excluding 0 eV). It is characterized by that.
請求項3にかかる発明は、請求項1又は2に記載の記憶素子において、前記電荷は電子による負の電荷であり、前記第1の電荷障壁層は、SiC、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、InP、InPを母体とする化合物半導体、GaN、AlN、ZnO、ZnS、CuO、CdS、CdSe、金属元素(Ti、Y、Zr、Hf、Ta、La系列元素)の酸化物および酸窒化物、前記金属元素のアルミネートとそれらの窒化物、チタン酸化合物(MTiO3、Mは2価および遷移金属元素)、および、ジルコニウム酸化合物(MZrO3、Mは2価および遷移金属元素)の中から選ばれた一つを材料とし、前記電荷蓄積層は、Si、Al、Ta、Ge、SiGe、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、GaP、GaSb、InP、InPを母体とする化合物半導体、HfSi、ZrSi2、TaSi2、VSi2、TiSi2、CrSi2、WSi2、MoSi2、TiN、TaNの中から選ばれた一つを材料とすることを特徴とする。
The invention according to
請求項4にかかる発明は、請求項1に記載の記憶素子において、前記半導体層は、SiC、ダイヤモンド、GaN、ZnOの中から選ばれた一つを材料とし、前記第1の電荷障壁層は、SiO2、SiN、SiON、A12O3、AlN、AlON、SiAlO、SiAlONの中から選ばれた一つを材料とすることを特徴とする。
The invention according to
請求項5にかかる発明は、請求項2又は3に記載の記憶素子において、前記第2の障壁を前記第1の障壁よりも大きくしたことを特徴とする。
The invention according to
請求項6にかかる発明の記憶素子は、半導体層、該半導体層上の第3の電荷障壁層、該第3の電荷障壁層上の電荷蓄積層、該電荷蓄積層上の第4の電荷障壁層、および、該第4の電荷障壁層上のゲート電極を少なくとも有する電界効果トランジスタ型半導体記憶素子において、前記電荷蓄積層、前記第4の電荷障壁層、前記ゲート電極に所定の材料を用いることにより、前記ゲート電極と前記電荷蓄積層間にショットキー放出による電気伝導を生じせしめ、前記電荷蓄積層に電荷を貯え、該電荷による前記電界効果型トランジスタめ閾値の変化により情報を記憶することを特徴とする。 A memory element according to a sixth aspect of the invention includes a semiconductor layer, a third charge barrier layer on the semiconductor layer, a charge storage layer on the third charge barrier layer, and a fourth charge barrier on the charge storage layer. In a field effect transistor type semiconductor memory device having at least a layer and a gate electrode on the fourth charge barrier layer, a predetermined material is used for the charge storage layer, the fourth charge barrier layer, and the gate electrode To cause electrical conduction by Schottky emission between the gate electrode and the charge storage layer, store the charge in the charge storage layer, and store information by changing the threshold value of the field effect transistor due to the charge. And
請求項7にかかる発明は、請求項6に記載の記憶素子において、前記半導体層は、1eV前後のエネルギーギャップを有する以下の材料の半導体:単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Ge、SiGe、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、InP、InPを母体とする化合物半導体、InN、β−FeSi2の中から選ばれた一つを材料であり、前記ゲート電極は、導電性をもつ材料であり、前記第4の電荷障壁層は、前記ゲート電極の電荷に対する第4の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)であり、かつ、前記電荷蓄積層の前記電荷に対する第3の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)となる材料であることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the memory element according to the sixth aspect, the semiconductor layer has a semiconductor with the following material having an energy gap of about 1 eV: single crystal silicon, polysilicon, amorphous silicon, Ge, SiGe, One selected from GaAs, a compound semiconductor based on GaAs, a compound semiconductor based on InP, InP, and InN, β-FeSi 2 is a material, and the gate electrode is a material having conductivity. And the fourth charge barrier layer has a fourth barrier against the charge of the gate electrode of 2 eV or less (however, does not include 0 eV), and the third barrier against the charge of the charge storage layer is It is a material that is 2 eV or less (however, 0 eV is not included).
請求項8にかかる発明は、請求項6又は7の記憶素子において、前記電荷は電子による負の電荷であり、前記ゲート電極は、ポリシリコン、Ge、遷移金属のシリサイド、Ti、TiN、Ta、TaN、W、Al、Cu、Pt、Au、Ru、RuO2、Ir、IrO2の中から選ばれた一つを材料とし、前記第4の電荷障壁層は、請求項3において第1の電荷障壁層の材料として挙げた中の一つを材料とし、前記電荷蓄積層は、請求項3において電荷蓄積層の材料として挙げた中の一つを材料とすることを特徴とする。
The invention according to
請求項9にかかる発明は、請求項6の記憶素子において、前記第4の電荷障壁層は共有結合性半導体を材料とし、前記ゲート電極はAl、2価金属、遷移金属の中の一つを材料とし、前記電荷蓄積層はAl、2価金属、遷移金属の中の一つを材料とすることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the memory element of the sixth aspect, the fourth charge barrier layer is made of a covalent semiconductor, and the gate electrode is made of one of Al, divalent metal, and transition metal. The charge storage layer is made of one of Al, divalent metal, and transition metal.
請求項10にかかる発明は、請求項6の記憶素子において、前記半導体層は、SiC、ダイヤモンド、GaN、ZnOの中から選ばれた一つを材料とし、前記第4の電荷障壁層は、SiO2、SiN、SiON、A12O3、AlN、AlON、SiAlO、SiAlONの中から選ばれた一つを材料とすることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the memory element of the sixth aspect, the semiconductor layer is made of one selected from SiC, diamond, GaN, and ZnO, and the fourth charge barrier layer is made of SiO. 2 , SiN, SiON, A1 2 O 3 , AlN, AlON, SiAlO, SiAlON are used as a material.
請求項11にかかる発明は、請求項7又は8に記載の記憶素子において、前記第3の障壁を前記第4の障壁よりも大きくしたことを特徴とする。
The invention according to
本発明の記憶素子は、従来の記憶素子とは異なる原理で動作する記憶素子であり、電荷障壁層の伝導帯下端を電子が熱的に越えて流れる、あるいは、荷電子帯上端を正孔が熱的に越えて流れるショットキー型電流によって電荷を移動させるので、電荷障壁層の厚さに敏感ではなく、また、電荷障壁層の絶縁膜に欠陥を誘起することなく、低電圧で書き込み、読み出しができる。さらに、高価な材料を用いる必要がなく、将来の大容量メモリの製造コストを格段に引き下げることができる。 The memory element of the present invention is a memory element that operates on a principle different from that of a conventional memory element, in which electrons flow over the lower end of the conduction band of the charge barrier layer, or the upper end of the valence band has holes. The charge is transferred by a Schottky current that flows over the heat, so it is not sensitive to the thickness of the charge barrier layer, and does not induce defects in the insulating film of the charge barrier layer. Can do. Furthermore, it is not necessary to use expensive materials, and the manufacturing cost of the future large-capacity memory can be greatly reduced.
また、既存DRAMが1T1Cで構成されるのに対し、本発明の記憶素子は1TのみでDRAMの機能が得られる。1T1C型DRAMのデータの読み出しは破壊読み出しであり、読み出し後すぐに再書き込みを行っているが、本発明の記憶素子はデータの読み出しを非破壊で行えるため、この点でも1T1C型DRAMよりも優れている。また、ゲート絶縁膜のEOTを小さくできるので、セル面積を小さくでき、将来のスケーリングに永く対応できる。 Further, while the existing DRAM is configured by 1T1C, the memory element of the present invention can obtain the function of the DRAM only by 1T. Reading data from the 1T1C type DRAM is destructive reading, and rewriting is performed immediately after reading. However, the memory element of the present invention can read data nondestructively, and this point is also superior to the 1T1C type DRAM. ing. In addition, since the EOT of the gate insulating film can be reduced, the cell area can be reduced, and future scaling can be supported for a long time.
以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.
図1は本発明の記憶素子の実施例1の基本構成の概略断面を示す図である。半導体層1上に第1の電荷障壁層2、電荷蓄積層(別名:浮遊ゲート電極)3、第2の電荷障壁層4、ゲート電極(別名:制御ゲート電極)5が順次積層され、両端にソース6およびドレイン7が配置される。電荷蓄積層3は浮遊ゲート電極として、ゲート電極5は制御ゲート電極として機能する。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic cross-section of the basic configuration of
図2は図1の記憶素子のバンドダイヤグラムであり、図1と同じ部位には同じ番号を記した。半導体層1がp型の場合について説明するが、n型であってもp型の反転層をn型の蓄積層と読み替えれば、はぼ同じ動作になる。この図2は、ゲート電極5に電圧を印加していない場合であって、半導体層1のフェルミレベル8とゲート電極5のフェルミレベル9のエネルギーレベルが等しい場合を示している。10は半導体層1の価電子帯の上端(Ev)、11は伝導帯の下端(Ec)である。電荷蓄積層3には半導体層1と同じ材料を使った場合を示している。半導体層1がシリコンであれば、電荷蓄積層3はポリシリコンである。この場合、電子に対する第1の障壁φBe1と第2のφBe2は近い値(ほぼ同じ値)になる。
FIG. 2 is a band diagram of the memory element of FIG. 1, and the same parts as those in FIG. Although the case where the
電荷蓄積層3に電子を蓄積する場合の動作を説明する。図3に示すように、半導体層1に対して正の電圧をゲート電極5に印加し、半導体層1の伝導帯の下端11の電荷障壁層2と接する部分がフェルミレベル8よりも下になるようにすると、半導体層1の電荷障壁層2側に反転層が現れ、少数キャリヤである電子が電荷障壁層2の近傍に出現する。ここで、反転層の電子が獲得する熱エネルギーが障壁φBe1よりも大きいと、反転層の電子は障壁φBe1を乗り越えて移動し、電荷蓄積層3にトラップされる。
An operation when electrons are stored in the
このような電流は、電子のショットキー放出による電流である。本発明は、ショットキー放出による電流を利用する。ゲート電極5の電圧を元の0Vのレベル12に戻すと、電荷蓄積層3には、しばらくの間、電子が蓄積されている。その状態では、トランジスタの閾値、すなわち、半導体層1に反転層が形成されるゲート電圧は、電荷蓄積層3に電子が蓄積されていない状態よりも大きい正電圧を必要とする。このことは、電子と電子のクーロン反発力が働くことを考慮すれば容易に理解できる。
Such a current is a current due to Schottky emission of electrons. The present invention utilizes current due to Schottky emission. When the voltage of the
すなわち、電荷蓄積層3に電子がトラップされている間は、トランジスタの閾値は正の方にずれる。この状態を、情報“0”が書き込まれた状態とすることができる。この“0”情報の検出は、電荷蓄積層3に電荷が蓄積されていない状態でトランジスタがオンするゲート電圧を印加したとき、トランジスタがオンしないことをセンス回路によって検出することで可能である。
That is, while the electrons are trapped in the
電荷蓄積層3がポリシリコンの場合、電荷蓄積層3の電子は障壁φBe2を越えることが可能であり、放置しておくと、電荷蓄積層3の電子は半導体層1に逃げてしまう。したがって、電荷蓄積層3に蓄積した電子が全部逃げないうちにトタンジスタの閾値の状態を検知し、電荷蓄積層3に電子が蓄積されているか否かを判定し、電子が蓄積されている場合には再書き込みを行うことにより書き込んだ情報を維持することができる。すなわち、定期的なリフレッシュを行うようにすれば良い。
When the
次に、情報“1”を書き込む場合の動作を説明する。図4は半導体層1に対して負の電圧をゲート電極5に印加した場合を示している。電荷蓄積層3に蓄えられていた電子は、障壁φBe2を乗り越えて半導体層1に移動し、電荷蓄積層3には電荷がなくなる。このとき、半導体層1の価電子帯の正孔が障壁φBh1を乗り越えると、正孔が電荷蓄積層3に蓄積されることになるが、電荷蓄積層3の正孔の蓄積の有無は、メモリ動作に関係しない。すなわち、電荷蓄積層3に電荷が無い場合でも正の電荷が存在する場合でも、負の電荷が蓄積されていたときよりもトランジスタの閾値が低くなるため、どちらも情報“1”が書き込まれたとみなすことができるからである。
Next, an operation when information “1” is written will be described. FIG. 4 shows a case where a negative voltage is applied to the
電荷蓄積層3に蓄えた電子をより長期間保持する方法として、第2の障壁φBe2の高さを第1の障壁φBe1よりも大きくする方法が有効である。このようにしておくと、ゲート電極5に電圧を印加していない記憶保持の状態で、電荷が半導体層1の方に逃げ難くなる。
As a method for a longer period of time holds the electrons stored in the
室温ないしは装置の動作温度(室温〜90℃程度)の熱によって励起された電子の一部が越えることのできる障壁の高さは、2eV程度以下(但し、0eVを含まない)である。ショットキー放出による電流が顕著に見られるのは、障壁の高さが1eV以下(但し、0eVを含まない)の場合である。ショットキー放出によって流れる電流(J)は、(1)式で与えられている(S.M.Sze著、半導体デバイスの物理(2)、柳井、小田川、生駒共訳、コロナ社、第3版、1975年、118頁)。
J=A*T2exp{−q(φB−(qE/(4πεi)))/kT} (1)
ここで、A*は有効リチャードソン定数、Tは絶対温度、qは素電荷、φBは障壁の高さ、Eは電界の大きさ、εiは絶縁膜(第1の電荷障壁層2)の誘電率、および、kはボルツマン定数である。
The height of the barrier that a part of the electrons excited by the heat at room temperature or the operating temperature of the device (room temperature to 90 ° C.) is about 2 eV or less (however, 0 eV is not included). The current due to Schottky emission is noticeable when the barrier height is 1 eV or less (however, 0 eV is not included). The current (J) flowing by Schottky emission is given by equation (1) (SMSze, semiconductor device physics (2), Yanai, Odagawa, Ikoma, Translated by Corona, 3rd edition, 1975, 118).
J = A * T 2 exp {−q (φ B − (qE / (4πε i ))) / kT} (1)
Where A * is the effective Richardson constant, T is the absolute temperature, q is the elementary charge, φ B is the height of the barrier, E is the magnitude of the electric field, and ε i is the insulating film (first charge barrier layer 2) And k is a Boltzmann constant.
(1)式において、指数関数の分子は電子の移動に対する活性化エネルギーであるが、電界Eが大きくなるにつれ減少する。その減少の割合は、絶縁膜の誘電率εiに依存する。通常、電界によって加速された電子は、絶縁物のイオン化した元素の動きよりも速いため、この誘電率εiは、赤外線の振動数以下の周波数で測定された誘電率とは異なり、絶縁物の元素の動きを止めて(断熱状態で)測定された誘電率となる。また、鏡像力の影響を受けるため、絶縁膜が低抵抗の金属に接するか、あるいは半導体に接するかで値が異なってくることに注意が必要である。半導体(不純物を高濃度にドープしたものも含む)に接する場合では、キャリヤ密度があまり大きくないため鏡像力の影響ははとんどない。また、絶縁膜が極薄い場合には、鏡像力の影響のため、障壁の高さφB自身も低下することに留意することが必要である。このような現象は、例えば、Al/HfO2/Siの積層構造の系で見られている(K.Saito,Y.Jin,and M.Shimada,”MOS Diode Characteristic with HfO2 Gate Insulator Deposited by ERC Spattring”Journal of the Electrochemical Society,Vol.151,2004,pp.G327)。したがって、電荷障壁層2として適度な障壁φBの高さとなる材料を選ぶことにより、ショットキー放出による電子を電荷蓄積層3に送り出すことができる。
In the equation (1), the numerator of the exponential function is the activation energy for the movement of electrons, but decreases as the electric field E increases. The reduction rate depends on the dielectric constant ε i of the insulating film. Since the electrons accelerated by the electric field are usually faster than the movement of the ionized elements in the insulator, this dielectric constant ε i is different from the dielectric constant measured at frequencies below the frequency of infrared radiation. The dielectric constant is measured by stopping the movement of the element (in the adiabatic state). In addition, since it is affected by the image force, it should be noted that the value varies depending on whether the insulating film is in contact with a low-resistance metal or a semiconductor. In the case of contact with a semiconductor (including a semiconductor doped with a high concentration of impurities), the carrier density is not so high, and the influence of the image force is negligible. Further, when the insulating film is extremely thin, due to the effect of the image force, the height phi B own barriers it is necessary to note that reduced. Such a phenomenon is observed in, for example, an Al / HfO 2 / Si layered system (K. Saito, Y. Jin, and M. Shimada, “MOS Diode Characteristic with HfO 2 Gate Insulator Deposited by ERC. Spattring ”Journal of the Electrochemical Society, Vol. 151, 2004, pp. G327). Therefore, by selecting a material for the height of the moderate barrier phi B as the
半導体層1がシリコンの場合、第1の電荷障壁層2として適する材料は、その伝導体の下端のエネルギーが、シリコンの伝導体の下端11のエネルギーよりも高いものであって、それらの差ΔEc(障壁φBe1)が2eV以下(但し、0eVを含まない)の絶縁物または半導体であると考えられる。これは、ショットキー放出による電流が流れ得る程度に小さくなければならないからである。本願発明等は上記文献で報告したように、ΔEcが1.2〜2.1eVと考えられる構造でショットキー放出電流を確認している。そのような材料の候補として、例えば、SiC、III-V族化合物半導体(GaAs、InP、GaN、AlN等)、II-VI族化合物半導体(ZnO、ZnS、CuO、CdS、CdSe等)、遷移金属元素の酸化物の中でΔEcの小さいもの(TiO2、YO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、La系列元素の酸化物等)およびそれらの窒化物、HfやZrのシリケート(HfSiO4やZrSiO4)やアルミネート(Alを含む酸化物)およびそれらの窒化物、チタン酸化合物((MTiO3、Mは2価(Be、Mg、Ca、Sr、Ba)および遷移金属元素)、および、ジルコニウム酸化合物(MZrO3、Mは2価および遷移金属元素)等が挙げられる。
When the
ちなみに、SiO2、Si3N4、および、A12O3とSiとのΔEcは、それぞれ、3.5、2.4、および、2.8eVとの報告値があり(J.Robertson,J.Vac.Sci.Technol.B18,1785(2000).)、実際、これらの絶縁膜ではF−Nトンネル型電流が多く流れるとの報告が多数あり、第1の電荷障壁層2には適さない。
Incidentally, ΔEc of SiO 2 , Si 3 N 4 , and A1 2 O 3 and Si have reported values of 3.5, 2.4, and 2.8 eV, respectively (J. Robertson, J .Vac.Sci.Technol.B18, 1785 (2000).) In fact, there are many reports that these FN tunnel-type currents flow in these insulating films, which is not suitable for the first
HfO2/Siの積層構造のΔEcは、理論計算値や実験値が1.1〜2.0eVの範囲で報告されている。ΔEcの理論計算値や実験値の報告値には精度上の問題があるためばらついている。本願発明者等の電流測定では、上記文献で報告したように、n型シリコンとHfO2とでショットキー放出による電流が観測されている。 ΔEc of the laminated structure of HfO 2 / Si is reported in the range of 1.1 to 2.0 eV in theoretical calculation values and experimental values. The theoretical calculation value of ΔEc and the reported value of the experimental value vary due to accuracy problems. In the current measurement by the inventors of the present application, as reported in the above-mentioned document, Schottky emission current is observed in n-type silicon and HfO 2 .
電流の測定温度依存性から得た障壁φB(つまりΔEc)は、5nmの厚さのHfO2膜の場合、1.2eVであった。他の報告では、膜中欠陥を介して電流が流れる、Frenke1-Poole(F−P)型放出による電流の報告例もあり、どのようなメカニズムの電流が支配的になるかは、第1の電荷障壁層2としての絶縁膜の膜質に依存するものと考えられる。絶縁膜の欠陥密度が少ない場合、F−P型放出は支配的にならず、ショットキー型かF−Nトンネル型が支配的になる。
The barrier φ B (that is, ΔEc) obtained from the measured temperature dependence of the current was 1.2 eV in the case of the HfO 2 film having a thickness of 5 nm. In other reports, there is a report example of current due to Frenke1-Poole (FP) type emission, in which current flows through a defect in the film. It is considered that it depends on the film quality of the insulating film as the
本実施例1では、以上のようにショットキー型伝導機構による電流を利用する。その理由は、ショットキー型伝導機構は、第1の電荷障壁層2に極弱い電界を印加しても電流が流れること、および、ショットキー型伝導機構は第1の電荷障壁層2としての絶縁膜に欠陥を発生させないと考えられ、DRAMの基本性能である1015回の書き込み・読み出しに対する繰り返し動作を補償し得る可能性が高いからである。
In the first embodiment, the current by the Schottky conduction mechanism is used as described above. The reason is that in the Schottky type conduction mechanism, a current flows even when an extremely weak electric field is applied to the first
ちなみに、F−Nトンネル型電流もトンネル現象そのものは障壁に欠陥を作らないと考えられるが、F−Nトンネル型電流を流すには、第1の電荷障壁層2に強電界を形成し、キャリヤの運動エネルギーを大きくしなければならない。したがって、F−Nトンネル電流は第1の電荷障壁層2としての絶縁膜に欠陥を誘起し易いと考えられ、熱酸化膜を用いたMOSキャパシタやMOSトランジスタにF−Nトンネル電流ストレスを加えて界面特性を評価した実験で、界面準位やトラップが増加する現象が報告されている(T.Hosoi,M.Akizawa,and S.Matsumoto,J.Appl.Phys.57,2072(1985).およびS.Horiguchi,T.Kobayasbi,and K.Saito,J.Appl.Phys.58,387(1985).)。したがって、長期信頼性に対する不安が付きまとう。
Incidentally, it is considered that the FN tunnel type current also does not cause a defect in the barrier itself, but in order to pass the FN tunnel type current, a strong electric field is formed in the first
電荷蓄積層3はポリシリコンに限らず、第1の電荷障壁層2との界面に欠陥を多量につくらない材料であって、第1の電荷障壁層2との障壁φBe2の高さが2eV以下の材料であり、素子の動作温度において、ショットキー放出によって電子を放出できる材料であれば良い。シリコンの真空準位から伝導体の下端11までのエネルギーEcが4.05eVであることから、電荷蓄積層3のEcまたは金属の仕事関数が、4eVに近い材料であれば良いことになる。
The
そのような材料としては、例えば、Al(4.2eV)、Ta(4.2eV)、Ge(4.0eV)、GaAs(4.07eV)、GaP(4.3eV)、GaSb(4.06eV)、および、InP(4.4eV)などが好適である。GaAsを母体とする化合物半導体やInPを母体とする化合物半導体なども好適であると考えられる。シリサイドの中で、比較的仕事関数の小さいものも適し、4.3〜4.5eVの仕事関数を持つシリサイドとして、HfSi、ZrSi2、TaSi2、VSi2、TiSi2、CrSi2、WSi2、および、MoSi2などがある。金属の窒化物では、TiNやTaNの仕事関数が比較的小さいことが知られている。
Examples of such a material include Al (4.2 eV), Ta (4.2 eV), Ge (4.0 eV), GaAs (4.07 eV), GaP (4.3 eV), and GaSb (4.06 eV). And InP (4.4 eV) are suitable. A compound semiconductor based on GaAs or a compound semiconductor based on InP is also considered suitable. Among silicide, suitable relatively small work function, as a silicide having a work function of 4.3~4.5eV, HfSi, ZrSi 2, TaSi 2,
第2の電荷障壁層4としては、本実施形態1では電荷蓄積層3とゲート電極5との電荷移動を生じさせないようにする役割であり、第1の電荷障壁層2よりも障壁が高いか、膜が厚いか、または、それら両方を満たす膜で形成する。トランジスタの低電圧動作を考慮すると、誘電率の高い材料を少し厚めに形成する方が良い。比較的大きな障壁高さが期待できるHfO2膜やLa系列元素の酸化物などが好適である。障壁高さが大きく、比誘電率が8〜10のA12O3膜を薄く形成する方法も有効である。
In the first embodiment, the second
図1の電荷蓄積層3に蓄えるキャリヤは正孔であっても良く、半導体層1としてn型半導体を用いた場合のバンドダイヤグラムを図5に示す。図5において、半導体層1に対して負電圧をゲート電極5に印加し、半導体層1の価電子帯の上端10がフェルミレベル8よりも上にくるようにすると反転層が形成され、第1の電荷障壁層2の近くに正孔が誘起される。熱から得る正孔のエネルギーが第1の障壁φBh1よりも大きくなると、正孔は障壁φBh1を越えて電荷蓄積層3に蓄積される。
The carriers stored in the
ゲート電極5に印加した電圧を0Vに戻しても、正孔が電荷蓄積層3に蓄積されている間は、トランジスタの閾値は低くなっており、情報”0”が書き込まれた状態を維持する。電荷蓄積層3に正孔が蓄積されていない状態でトランジスタがオンとなる電圧をゲート電極5に印加し、トランジスタがオンにならないことをセンス回路で検知し、書き込まれた情報”0”を読み出すことができる。電荷蓄積層3の正孔は、熱励起によって半導体層1に逃げるため、トランジスタの閾値の変化を検知できる間にリフレッシュする。ゲート電極5に正電圧を印加すれば、電荷蓄積層3に蓄えた正孔を半導体層1に戻すことができる。
Even when the voltage applied to the
半導体層1としてp型半導体を用いてゲート電極に負電圧を印加する場合であっても、半導体層1の電荷障壁層2側に形成される電荷蓄積層3からの正孔のショットキー放出による電荷の蓄積動作は、n型半導体を用いた反転層の場合と同様である。
Even when a negative voltage is applied to the gate electrode using a p-type semiconductor as the
電荷蓄積層3に蓄えた正孔をより長期間保持する方法として、第2の障壁φBh2の大きさを第1の障壁φBh1よりも大きくする方法が有効である。このようにしておくと、ゲート電極5に電圧を印加していない記憶保持の状態で、電荷が半導体層1の方に逃げ難くなる。
As a method for a longer period of time holds the holes stored in the
半導体層1にシリコンを用いた場合、2eV以下(但し、0eVを含まない)の正孔の障壁高さを有する絶縁体または半導体として、4eV以下(但し、0eVを含まない)のバンドギャップを有するものが好適である。遷移金属元素の酸化物の価電子帯の上端のエネルギーは、深いものがほとんどであるため、III−V族やII−VI族化合物半導体等のバンドギャップの小さいものが好適である。
When silicon is used for the
図6は本発明の記憶素子の実施例3の概略断面を示す図である。この記憶素子が実施例1の記憶素子と異なる点は、第1と第2の電荷障壁層13,14の厚さであり、電荷蓄積層3への電荷注入をゲート電極5から行うため、第2の電荷障壁層(請求項の第4の電荷障壁層)14を薄く、第1の電荷障壁層(請求項の第3の電荷障壁層)13を厚くしている点である。第1の電荷障壁層13は半導体層1との障壁を高くするため、SiO2膜やA12O3膜などのバンドギャップの大きい膜を用いることも一案であるが、メモリ動作の低電圧化を考慮すれば、高誘電率(High−k)ゲート絶縁膜を用い、酸化膜換算膜厚EOT(equiva1ent oxide thickness)が小さく、かつ、リーク電流の小さな膜の方が良い。EOTは以下のように定義されている。
EOT={(SiO2膜の誘電率)÷(High−k膜の誘電率)}×(High−k膜の膜厚)
EOTもリーク電流も小さいHigh−k膜として、最近、A12O3、AlON、HfO2、および、RfON膜などが注目されている。
FIG. 6 is a diagram showing a schematic cross section of Example 3 of the memory element of the present invention. This memory element is different from the memory element of Example 1 in the thicknesses of the first and second charge barrier layers 13 and 14, and the charge injection into the
EOT = {(dielectric constant of SiO 2 film) ÷ (dielectric constant of high-k film)} × (film thickness of high-k film)
Recently, A1 2 O 3 , AlON, HfO 2 , RfON films, and the like have attracted attention as high-k films with low EOT and leakage current.
本実施例3においては、ゲート電極5の仕事関数ないしはEc、第2の電荷障壁層14のEc、電荷蓄積層3の仕事関数ないしはEcの関係が重要であり、電荷蓄積層3と第2の電荷障壁層14間の障壁φBe3、電荷蓄積層3とゲート電極5間の障壁φBe4の高さがショットキー放出による電流が流れ得る程度に小さくなければならない。半導体層1をn型半導体としてそれに対し負の電圧をゲート電極5を印加したときのバンドダイヤグラムを図7に示す。
In the third embodiment, the relationship between the work function or Ec of the
第3と第4の障壁φBe3とφBe4の高さは2eV以下(但し、0eVを含まない)でなければならない。ゲート電極5に抵抗率の小さいAl等の金属を用いた場合であって、第2の電荷障壁層14が極薄い場合には、鏡像力の影響により厚い場合と比較して障壁φBe4が著しく低下することを利用し、小さな障壁φBe4を得ることも可能である。
The heights of the third and fourth barriers φ Be3 and φ Be4 must be 2 eV or less (excluding 0 eV). In the case where a metal such as Al having a low resistivity is used for the
本願発明者等は、MOSダイオードのリーク電流の測定温度依存性から、ゲート電極5と第2の電荷障壁層14として、2.2nmの厚さ(堆積速度から見積もった厚さ)のHfO2膜のAl/HfO2積層構造に対して、0.3〜0.4eVの障壁φBe4の高さの実験値を得ている。この値は、厚い膜での障壁φBe4の高さの見積もり値(1.4〜2.2eV)に対して著しく低い。トンネル電流が混じると障壁φBe4の高さは低くなるため、トンネル電流の混在も競われるが、リーク電流に明らかな測定温度依存性が認められるため、ショットキー放出による電流であると考えられる。
The present inventors have found that the measured temperature dependence of the MOS diode leakage current, the
ゲート電極5と電荷蓄積層3に金属を用い、第2の電荷障壁層14にシリコンやゲルマニウム等の共有結合性半導体を用いると、半導体のエネルギーギャップのおよそ半分の高さの障壁φBe3、φBe4が得られる。この現象に対し、金属からしみ出した自由電子の波動関数の遮蔽効果により、金属に接する1/2原子層程度の半導体のエネルギーギャップが閉じて金属化し、その部分の半導体のフェルミレベルが金属自由電子のフェルミレベルにピンニングされるためとする理論的研究がある。本願発明者等は、Al/HfO2における障壁高さの減少にも金属自由電子の遮蔽の影響が及んでいるものと考えている。
When metal is used for the
ゲート電極5に適する材料としては導電性を持つ種々の材料が考えられる。シリコンプロセスでは、ポリシリコン、Ge、遷移金属のシリサイド、Ti、TiN、Ta、TaN、W、Al、Cu、Pt、Au、Ru、RuO2、Ir、IrO2などが検討されており、第2の電荷障壁層14と電荷蓄積層3との組み合わせを適当にとれば、いずれの材料でも用いることが可能である。ただし、ゲート電極5の材料は、その仕事関数がトランジスタの閾値を決定する重要なファクターとなるため、それを考慮して決定することになる。閾値を調整するための新たな材料開発も行われるであろう。
As materials suitable for the
第2の電荷障壁層14の材料としては、上記の金属自由電子の遮蔽の影響を抜きにすると、金属の仕事関数と半導体のEcやEvがおおよそ似た値になることを考慮し、実施例1で第1の電荷障壁層2に適する材料として挙げた半導体やバンドギャップの比較的小さな絶縁物がそのまま適用できるものと考えられる。また、電荷蓄積層3についても同様なことが言える。
As a material of the second
電荷蓄積層3にゲート電極5から電子が注入され、蓄積されるとトランジスタの閾値はより高いゲート電圧の方に変化する。その変化が大きくなると、ゲート電極5に電圧を印加しなくても、トランジスタはオンの状態になる。この状態を情報”1”の記憶に対応させ、ゲート電極5に逆極性電圧を印加して電荷蓄積層3に蓄積している電子を引き抜いた状態を情報“0”に対応させることができる。トランジスタの特性によっては、閾値の変化が少ない場合もあるが、記憶情報の読み出し時にゲート電極5に適度なバイアス電圧を印加することで、記憶情報の“1”と“0”を検出することができる。
When electrons are injected from the
電荷蓄積層3に蓄えた電子をより長期間保持する方法として、第3の障壁φBe3の高さを第4の障壁φBe4よりも大きくする方法が有効である。このようにしておくと、ゲート電極5に電圧を印加していない記憶保持の状態で、電荷がゲート電極5の方に逃げ難くなる。
As a method for holding the electrons stored in the
図6の記憶素子において、第2の電荷障壁層14にSi、Ge、SiGe、SiC、GaAs、InPなどの共有結合性半導体を用い、ゲート電極5と電荷蓄積層3にAl、2価金属、遷移金属などの低抵抗金属(数10μΩcm以下)を用いると、ゲート電極5から電荷蓄積層3への正孔の注入が可能になる。このような構成では、量子効果によって半導体側にしみ出した金属自由電子の遮蔽が半導体のバンドギャップを閉じさせる(金属化する)働きがあるため、閉じた半導体のバンドが金属のフェルミエネルギーにピンニングされる。半導体のバンドギャップのほぼ中心が金属の仕事関数と同じ位置にくるため、0.3〜0.5eV程度の小さな正孔障壁を労せずに得ることができる。
In the memory element of FIG. 6, a covalent semiconductor such as Si, Ge, SiGe, SiC, GaAs, InP is used for the second
図8に半導体層1としてp型半導体を用い、ゲート電極5に正電圧を印加した場合のバンドダイヤグラムを示す。ゲート電極5の正孔がショットキー放出によって第2の電荷障壁層14の小さな第4の障壁φBh4を乗り越え、電荷蓄積層3に蓄積される。この状態は、トランジスタの閾値をより低い方向に変化させる。この変化が大きければ、ゲート電極5に電圧を印加しないときでもトランジスタをオンの状態にすることができる。この状態を情報“1”が書き込まれた状態とし、ゲート電極5に負電圧を印加して電荷蓄積層3から正孔を抜き取った状態(ゲート電圧を印加しない状態でトランジスタがオフ)を情報“0”が書き込まれた状態とすることができる。トランジスタの特性によっては、閾値の変化が少ない場合もあるが、記憶情報の読み出し時にゲート電極5に適度なバイアス電圧を印加することで、記憶情報の“1”と“0”を検出することができる。
FIG. 8 shows a band diagram when a p-type semiconductor is used as the
電荷蓄積層3に蓄えた正孔をより長期間保持する方法として、ゲート電極5と電荷蓄積層3の材料を適当に選び、第3の障壁φBh3の高さを第4の障壁φBh4よりも大きくする方法が有効である。このようにしておくと、ゲート電極5に電圧を印加していない記憶保持の状態で、電荷がゲート電極5の方に逃げ難くなる。
As a method for retaining the holes accumulated in the
上記の構成は、電子の電荷蓄積層3ヘの蓄積にも有効である。図8は正の電圧をゲート電極5に印加したが、負の電圧を印加するとゲート電極5からショットキー放出された電子が0.3〜0.5eV程度の小さな電子障壁を越えて電荷蓄積層3に蓄積されることになるので記憶動作ができる。
The above configuration is also effective for storing electrons in the
以上の実施例1〜4の説明においては、半導体層1に主に単結晶シリコンを用いた場合について示したが、半導体層1にはバンドギャップが1eV前後の他の半導体を用いても、本発明の記憶素子が形成可能である。バンドギャップが1eV前後の半導体として、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Ge、SiGe、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、InP、InPを母体とする化合物半導体、InN、β−FeSi2などが挙げられる。
In the description of Examples 1 to 4 above, the case where single crystal silicon is mainly used for the
本発明は、最近注目されているSiC、ダイヤモンド、GaN、ZnOなどのワイドギャップ半導体を用い、高温の環境で動作する記憶素子を形成することもできる。ワイドギャップ半導体は、その高耐圧特性を生かしてパワーデバイスに応用することが行われているが、キャリヤ濃度が熱の影響を受けにくいことから、高温での使用に耐えるトランジスタ等を製作できる利点もある。すなわち、高温の炉内で使用する電子機器などに使用することができる。あるいは、表面温度の高い惑星の探査などに使用する高温動作の可能な半導体装置を提供することができる。 In the present invention, a memory element that operates in a high-temperature environment can be formed using a wide-gap semiconductor such as SiC, diamond, GaN, or ZnO that has recently attracted attention. Wide gap semiconductors have been applied to power devices by taking advantage of their high breakdown voltage characteristics. However, the carrier concentration is not easily affected by heat, so there is an advantage that transistors that can withstand use at high temperatures can be manufactured. is there. That is, it can be used for electronic equipment used in a high-temperature furnace. Alternatively, it is possible to provide a semiconductor device capable of high-temperature operation that is used for exploring planets with high surface temperatures.
半導体からのキャリヤのショットキー放出は、前記の(1)式から分かるように、温度の関数であり、温度が高くなると、ほぼ指数関数的に電流が多くなる。したがって、温度が高くなると、障壁の高さφBが大きくなっても電流が流れ得る。例えば、200〜300℃の環境では、障壁の高さφBが2〜3eV程度でも大きなショットキー型電流が流れ得る。したがって、上記のようなワイドギャップ半導体を用い、高温の動作環境で本発明の記憶素子を動作させる場合には、電荷障壁層と半導体層間のΔEc(前述したφBe1〜φBe4、φBh1〜φBh4)は2eV以上であっても良く、その場合、電荷障壁層には、バンドギャップの大きなSiO2、SiN、SiON、A12O3、AlN、AlON、SiAlO、SiAlONなどの材料を用いることができる。 As can be seen from the above equation (1), the Schottky emission of carriers from the semiconductor is a function of temperature. When the temperature increases, the current increases almost exponentially. Therefore, when the temperature increases, current can flow even when the barrier height φ B increases. For example, in an environment of 200 to 300 ° C., a large Schottky current can flow even when the barrier height φ B is about 2 to 3 eV. Therefore, when using the wide gap semiconductor as described above and operating the memory element of the present invention in a high temperature operating environment, ΔEc (φ Be1 to φ Be4 , φ Bh1 to φ described above) between the charge barrier layer and the semiconductor layer is used. Bh4 ) may be 2 eV or more. In that case, a material such as SiO 2 , SiN, SiON, A 1 2 O 3 , AlN, AlON, SiAlO, or SiAlON having a large band gap may be used for the charge barrier layer. it can.
次に、本発明の記憶素子をメモリとして用いる場合のセル構成の例とその駆動回路について説明する。本発明の記憶素子は、一つのトランジスタの閾値の変化を利用して情報を記憶するものであり、図9に示すような1トランジスタ型メモリセル21の構成をとることができる。22はワード線制御回路、23はビット線制御回路、24はセンス回路である。データの書き込みは、ビット線BL1,BL2とワード線WL間に書き込み電圧を印加する。
Next, an example of a cell configuration in the case where the memory element of the present invention is used as a memory and its driving circuit will be described. The memory element of the present invention stores information by utilizing a change in the threshold value of one transistor, and can be configured as a one-
例えば、実施例1の記憶素子のようにp型半導体の反転層をチャンネルとする記憶素子では、ワード線WLの書き込み電圧はビット線BL1,BL2に対してプラスである(図3)。ビット線BL1,BL2に0V、ワード線WLに+2Vを印加する。 For example, in a memory element having a p-type semiconductor inversion layer as a channel like the memory element of the first embodiment, the write voltage of the word line WL is positive with respect to the bit lines BL1 and BL2 (FIG. 3). 0V is applied to the bit lines BL1 and BL2, and + 2V is applied to the word line WL.
この書き込みによって電荷蓄積層3には負電荷が蓄積され、トランジスタの閾値は、図10に示すように、正の方向に動くため、トランジスタをオンするのにより高いゲート電圧を必要とする。この状態を情報“0”が書き込まれた状態とする。データの読み出しはワード線WLに読み出し電圧を印加し、ビット線BL1,BL2につながれたセンス回路24でトランジスタのオン/オフを判読する。ゲート電極5には閾値のオフセット電圧を考慮した適度な電圧を印加する必要があるが、オフセット電圧を0Vに調整しておけばゲート電圧を印加する必要はない。この場合、データは非破壊で読み出される。“1”のデータを書き込む場合には、ワード線WLに対してビット線BL1,BL2の電圧を高くする。例えば、ワード線WLに0V、ビット線BL1,BL2に+2Vを印加する。トランジスタの閾値が前の場合と逆に動き、低いゲート電圧でオンの状態になる。
By this writing, negative charges are accumulated in the
この記憶素子は、フラッシュメモリのように情報の消去を高電圧で一括して行う必要は無く、ランダムアクセスで記憶できる。ただし、トランジスタの閾値は、電荷蓄積層3に保持されている電荷によっており、電荷保持時間は電荷障壁層2の障壁の高さと厚さに依存する。数100m秒から数秒のデータ保持時間を確保しつつ、メモリを低電圧で高速に動作させるために障壁を低くし、EOTを薄くする。そのため、本記憶素子は定期的なデータのリフレッシュが必要である。リフレッシュは、データ保持時間内にデータを読み出し、判読して同じデータを書き込むことで行われることは既存のキヤパシタを用いた1T1C型DRAMと同様である。
Unlike the flash memory, this memory element does not need to erase information at a high voltage all at once, and can be stored by random access. However, the threshold value of the transistor depends on the charge held in the
1:半導体層
2:第1の電荷障壁層
3:電荷蓄積層(別名:浮遊ゲート電極)
4:第2の電荷障壁層
5:ゲート電極(別名:制御ゲート電極)
6:ソース
7:ドレイン
8:半導体層のフェルミレベル
9:ゲート電極のフェルミレベル
10:半導体層の価電子帯の上端
11:半導体層の伝導帯の下端
12:0Vのレベル
13:第1(第3)の電荷障壁層
14:第2(第4)の電荷障壁層
e−:電子
h+:正孔
φBe1,φBe2,φBe3,φBe4,:電子に対する障壁
φBh1,φBh2,φBh3,φBh4:正孔に対する障壁
1: Semiconductor layer 2: First charge barrier layer 3: Charge storage layer (also known as floating gate electrode)
4: Second charge barrier layer 5: Gate electrode (also known as control gate electrode)
6: source 7: drain 8: Fermi level of semiconductor layer 9: Fermi level of gate electrode 10: upper end of valence band of semiconductor layer 11: lower end of conduction band of semiconductor layer 12: level of 0V 13: first (first) 3) of the charge barrier layer 14: second (electron barrier layer of the 4) e -: electronic h +: a hole φ Be1, φ Be2, φ Be3 , φ Be4,: barrier phi Bh1 for electrons, φ Bh2, φ Bh3 , φ Bh4 : Barrier against holes
Claims (11)
前記半導体層、前記第1の電荷障壁層、前記電荷蓄積層に所定の材料を用いることにより、前記半導体層と前記電荷蓄積層間にショットキー放出による電気伝導を生じせしめ、前記電荷蓄積層に電荷を貯え、前記電荷による前記電界効果型トランジスタの閾値の変化により情報を記憶することを持緻とする記憶素子。 A semiconductor layer; a first charge barrier layer on the semiconductor layer; a charge storage layer on the first charge barrier layer; a second charge barrier layer on the charge storage layer; and the second charge barrier layer In a field effect transistor type semiconductor memory device having at least an upper gate electrode,
By using a predetermined material for the semiconductor layer, the first charge barrier layer, and the charge storage layer, electrical conduction is caused by Schottky emission between the semiconductor layer and the charge storage layer, and a charge is generated in the charge storage layer. And storing information by changing a threshold value of the field-effect transistor due to the electric charge.
前記半導体層は、1eV前後のエネルギーギャップを有する以下の材料の半導体:単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Ge、SiGe、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、InP、InPを母体とする化合物半導体、InN、β−FeSi2の中から選ばれた一つを材料とし、
前記第1の電荷障壁層は、前記半導体層の電荷に対する第1の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)となり、かつ、前記電荷蓄積層の前記電荷に対する第2の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)となる材料であることを特徴とする記憶素子。 The memory element according to claim 1, wherein
The semiconductor layer is a semiconductor of the following material having an energy gap of about 1 eV: a compound semiconductor based on single crystal silicon, polysilicon, amorphous silicon, Ge, SiGe, GaAs, GaAs, or a compound based on InP, InP. One selected from semiconductor, InN, β-FeSi 2 is used as a material,
In the first charge barrier layer, the first barrier against the charge of the semiconductor layer is 2 eV or less (excluding 0 eV), and the second barrier against the charge of the charge storage layer is 2 eV or less ( However, the memory element is a material that does not include 0 eV.
前記電荷は電子による負の電荷であり、
前記第1の電荷障壁層は、SiC、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、InP、InPを母体とする化合物半導体、GaN、AlN、ZnO、ZnS、CuO、CdS、CdSe、金属元素(Ti、Y、Zr、Hf、Ta、La系列元素)の酸化物および酸窒化物、前記金属元素のアルミネートとそれらの窒化物、チタン酸化合物(MTiO3、Mは2価および遷移金属元素)、および、ジルコニウム酸化合物(MZrO3、Mは2価および遷移金属元素)の中から選ばれた一つを材料とし、
前記電荷蓄積層は、Si、Al、Ta、Ge、SiGe、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、GaP、GaSb、InP、InPを母体とする化合物半導体、HfSi、ZrSi2、TaSi2、VSi2、TiSi2、CrSi2、WSi2、MoSi2、TiN、TaNの中から選ばれた一つを材料とすることを特徴とする記憶素子。 The memory element according to claim 1 or 2,
The charge is a negative charge due to electrons,
The first charge barrier layer includes a compound semiconductor based on SiC, GaAs, GaAs, a compound semiconductor based on InP, InP, GaN, AlN, ZnO, ZnS, CuO, CdS, CdSe, a metal element (Ti, Y, Zr, Hf, Ta, La series elements) oxides and oxynitrides, aluminates and their nitrides of the metal elements, titanate compounds (MTiO 3 , M is a divalent and transition metal element), and , One selected from zirconate compounds (MZrO 3 , M is a divalent and transition metal element),
The charge storage layer, Si, Al, Ta, Ge , SiGe, GaAs, compound semiconductors of GaAs as a matrix, GaP, GaSb, InP, compound semiconductors and InP as a matrix, HfSi, ZrSi 2, TaSi 2 , VSi 2 , TiSi 2 , CrSi 2 , WSi 2 , MoSi 2 , TiN, TaN.
前記半導体層は、SiC、ダイヤモンド、GaN、ZnOの中から選ばれた一つを材料とし、
前記第1の電荷障壁層は、SiO2、SiN、SiON、A12O3、AlN、AlON、SiAlO、SiAlONの中から選ばれた一つを材料とすることを特徴とする記憶素子。 The memory element according to claim 1, wherein
The semiconductor layer is made of one selected from SiC, diamond, GaN, and ZnO,
The memory element, wherein the first charge barrier layer is made of one selected from SiO 2 , SiN, SiON, A 1 2 O 3 , AlN, AlON, SiAlO, and SiAlON.
前記第2の障壁を前記第1の障壁よりも大きくしたことを特徴とする記憶素子。 The memory element according to claim 2 or 3,
A memory element, wherein the second barrier is made larger than the first barrier.
前記電荷蓄積層、前記第4の電荷障壁層、前記ゲート電極に所定の材料を用いることにより、前記ゲート電極と前記電荷蓄積層間にショットキー放出による電気伝導を生じせしめ、前記電荷蓄積層に電荷を貯え、該電荷による前記電界効果型トランジスタめ閾値の変化により情報を記憶することを特徴とする記憶素子。 A semiconductor layer; a third charge barrier layer on the semiconductor layer; a charge storage layer on the third charge barrier layer; a fourth charge barrier layer on the charge storage layer; and the fourth charge barrier layer In a field effect transistor type semiconductor memory device having at least an upper gate electrode,
By using a predetermined material for the charge storage layer, the fourth charge barrier layer, and the gate electrode, electrical conduction is caused by Schottky emission between the gate electrode and the charge storage layer, and a charge is generated in the charge storage layer. And storing information according to a change in the threshold value of the field effect transistor due to the electric charge.
前記半導体層は、1eV前後のエネルギーギャップを有する以下の材料の半導体:単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、Ge、SiGe、GaAs、GaAsを母体とする化合物半導体、InP、InPを母体とする化合物半導体、InN、β−FeSi2の中から選ばれた一つを材料であり、
前記ゲート電極は、導電性をもつ材料であり、
前記第4の電荷障壁層は、前記ゲート電極の電荷に対する第4の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)であり、かつ、前記電荷蓄積層の前記電荷に対する第3の障壁が2eV以下(但し、0eVを含まない)となる材料であることを特徴とする記憶素子。 The storage element according to claim 6.
The semiconductor layer is a semiconductor of the following material having an energy gap of about 1 eV: a compound semiconductor based on single crystal silicon, polysilicon, amorphous silicon, Ge, SiGe, GaAs, GaAs, or a compound based on InP, InP. One selected from semiconductor, InN, β-FeSi 2 is a material,
The gate electrode is a conductive material,
In the fourth charge barrier layer, the fourth barrier against the charge of the gate electrode is 2 eV or less (excluding 0 eV), and the third barrier against the charge of the charge storage layer is 2 eV or less. A memory element characterized by being a material that does not include 0 eV.
前記電荷は電子による負の電荷であり、
前記ゲート電極は、ポリシリコン、Ge、遷移金属のシリサイド、Ti、TiN、Ta、TaN、W、Al、Cu、Pt、Au、Ru、RuO2、Ir、IrO2の中から選ばれた一つを材料とし、
前記第4の電荷障壁層は、請求項3において第1の電荷障壁層の材料として挙げた中の一つを材料とし、
前記電荷蓄積層は、請求項3において電荷蓄積層の材料として挙げた中の一つを材料とすることを特徴とする記憶素子。 The storage element of claim 6 or 7,
The charge is a negative charge due to electrons,
The gate electrode is one selected from polysilicon, Ge, transition metal silicide, Ti, TiN, Ta, TaN, W, Al, Cu, Pt, Au, Ru, RuO 2 , Ir, and IrO 2. As a material,
The fourth charge barrier layer is made of one of the materials mentioned as the material of the first charge barrier layer in claim 3,
4. The memory element according to claim 3, wherein the charge storage layer is made of one of the materials mentioned as the charge storage layer in claim 3.
前記第4の電荷障壁層は共有結合性半導体を材料とし、
前記ゲート電極はAl、2価金属、遷移金属の中の一つを材料とし、
前記電荷蓄積層はAl、2価金属、遷移金属の中の一つを材料とする
ことを特徴とする記憶素子。 The storage element of claim 6.
The fourth charge barrier layer is made of a covalent semiconductor,
The gate electrode is made of one of Al, divalent metal, and transition metal,
The memory element, wherein the charge storage layer is made of one of Al, divalent metal, and transition metal.
前記半導体層は、SiC、ダイヤモンド、GaN、ZnOの中から選ばれた一つを材料とし、
前記第4の電荷障壁層は、SiO2、SiN、SiON、A12O3、AlN、AlON、SiAlO、SiAlONの中から選ばれた一つを材料とすることを特徴とする記憶素子。 The storage element of claim 6.
The semiconductor layer is made of one selected from SiC, diamond, GaN, and ZnO,
The memory element, wherein the fourth charge barrier layer is made of one selected from SiO 2 , SiN, SiON, Al 2 O 3 , AlN, AlON, SiAlO, and SiAlON.
前記第3の障壁を前記第4の障壁よりも大きくしたことを特徴とする記憶素子。 The memory element according to claim 7, wherein the third barrier is larger than the fourth barrier.
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