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JP2004014711A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2004014711A
JP2004014711A JP2002164638A JP2002164638A JP2004014711A JP 2004014711 A JP2004014711 A JP 2004014711A JP 2002164638 A JP2002164638 A JP 2002164638A JP 2002164638 A JP2002164638 A JP 2002164638A JP 2004014711 A JP2004014711 A JP 2004014711A
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JP
Japan
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insulating film
tunnel insulating
semiconductor device
tunnel
sio
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002164638A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiharu Imanaga
今永 俊治
Junichi Sato
佐藤 淳一
Kenichi Taira
平 健一
Takeshi Suzuki
鈴木 毅
Noriyuki Kawashima
川島 紀之
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Publication of JP2004014711A publication Critical patent/JP2004014711A/en
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Abstract

【課題】記憶維持時間を短縮せずに書き込み時間を短縮することが可能な、半導体素子および半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】ソースとドレインが形成された半導体基板上に、第1のトンネル絶縁膜、第2のトンネル絶縁膜、電荷蓄積層、ブロッキング絶縁膜、ゲート電極が積層された構造の半導体素子であり、第1のトンネル絶縁層をSiOとし、第2のトンネル絶縁層をSiOとすることによって、ダイオード効果を利用して書き込み時間の短縮と記憶維持時間を長期化を行う。
【選択図】図1
A semiconductor element and a method for manufacturing the semiconductor element, which can reduce a writing time without shortening a memory retention time.
The semiconductor element has a structure in which a first tunnel insulating film, a second tunnel insulating film, a charge storage layer, a blocking insulating film, and a gate electrode are stacked on a semiconductor substrate on which a source and a drain are formed. , the first tunnel insulating layer is SiO x, by the second tunnel insulating layer and SiO 2, performs prolonged shortened and memory maintaining time of write time by using a diode effect.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性記憶素子として動作する半導体素子および半導体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体不揮発性記憶素子としては、浮遊ゲート層を有するMOSFET(metal−oxide semiconductor field effect transistor)が使われていた。ビットコスト削減の為には、これらの素子の高集積化が必要とされるが、このタイプの素子は浮遊ゲート層がある為、微細化するのが困難になりつつある。そこで最近では、MONOS(metal oxide nitride oxide semiconductor)型不揮発性記憶素子が実用化され始めている。
【0003】
このMONOS型不揮発性記憶素子の構造を図10に示す。MONOS型不揮発性記憶素子の構造は、ソース領域52とドレイン領域53が形成された半導体基板51(Si)上に、トンネル絶縁膜55(SiO)を形成し、トンネル絶縁膜55上に電荷蓄積層56(SiN)を形成し、電荷蓄積層56上にブロッキング絶縁膜57(SiO)を形成し、ブロッキング絶縁膜57上にゲート電極58を形成した構造を持つ。MONOS型構造では電荷蓄積は薄いSiNのトラップで行われるので、素子の微細化は通常のMOSFETと同様に行うことが可能である。
【0004】
不揮発性記憶素子の特性には重要なものとして、書き込み時間(write time)と記憶維持時間(retention time)とがある。MONOS型素子は微細化には適しているものの、一般的に書き込み時間が遅いという特徴がある。そこで書き込み時間を速くするために、トンネル絶縁膜(SiO)を薄くすると、書き込み印加電圧を除いた後に電荷蓄積層であるSiN層からSi基板への逆トンネルによって電子が逃げ易くなり、記憶維持時間が短くなってしまう。一般論としては、書き込み時間と記憶維持時間はトレードオフの関係にあり、MONOS型構造の不揮発性記憶素子の幅広い実用化への障害となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、記憶維持時間を短縮せずに書き込み時間を短縮することが可能な、半導体素子および半導体素子の製造方法を提供する事を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の半導体素子は、半導体基板上に、キャリアを蓄積させてデータを記憶させる電荷蓄積層を有し、前記半導体基板と前記電荷蓄積層との間に、前記半導体基板側から前記電荷蓄積層側への電子の注入が、前記電荷蓄積層側から前記半導体基板側への電子の注入よりも容易である異方性トンネル層を有することを特徴とする。
【0007】
前記半導体基板側から前記電荷蓄積層側への電子の注入が、前記電荷蓄積層側から前記半導体基板側への電子の注入よりも容易である異方性トンネル層を有することによって、ゲート電極に電圧を印加した書き込み時は電子を流しやすいので、書き込み時間を短くすることが可能であり、記憶維持状態の時には電子を輸送しにくいので、記憶維持時間を長くすることが可能となる。シリコンリッチな酸化シリコン(SiO)層と酸化シリコン(SiO)層との積層構造であるSiO/SiO構造は、SiOからSiO方向には電子が流れやすいが、逆方向には電子が流れ難いという電子注入の容易さの異方性を持つため、異方性トンネル層として用いることが出来る。
【0008】
また、本願発明の半導体素子は、前記異方性トンネル層と前記半導体基板との間に、さらに極薄酸化膜が形成されていることを特徴とする。
【0009】
極薄酸化膜が半導体基板と第1のトンネル絶縁膜との間に存在して、両層の界面状態を整えることによって、第1のトンネル絶縁膜(SiO)が直接FETのチャンネル領域と接した場合に、SiOの特性に依存するようなSiOとSiとの界面の影響うけ、FET動作の動作特性が劣化することを防止することが可能となる。
【0010】
また、上記課題を解決するために本願発明の半導体素子の製造方法は、半導体基板上に異方性トンネル層を形成する工程と、前記異方性トンネル層上に電荷蓄積層を形成する工程と、を有することを特徴とする。さらに前記異方性トンネル層を形成する前に、前記半導体基板上に極薄酸化膜を形成する工程を有する。
【0011】
これにより、半導体基板上にダイオード効果を有するトンネル絶縁膜が形成され、書き込み時間が短縮されかつ記憶保持時間が長期化された半導体素子を製造することが可能となる。また、極薄酸化膜を半導体基板と異方性トンネル層との間に形成することができるため、動作特性が劣化することを防止することが可能な半導体素子を製造することが可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
以下、本発明に係る半導体素子および半導体素子の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、説明においては半導体素子を一つだけ記載して説明を行うが、半導体基板上には図示した半導体素子が複数形成されているものとする。
【0013】
図1は本願発明の半導体素子の構造を模式的に示す断面図であり、浮遊ゲート層が多層膜によって構成されるMISFET(metal insulatorsemiconductor field effect transistor)型素子である。図1に示すように半導体基板1上には、ソース領域2とドレイン領域3が形成され、半導体基板1上に第1のトンネル絶縁膜4が3〜5nm積層され、第1のトンネル絶縁膜4上に第2のトンネル絶縁膜5が1〜5nm積層され、第2のトンネル絶縁膜5上に電荷蓄積層6が3〜20nm積層され、電荷蓄積層6上にブロッキング絶縁膜7が5〜10nm積層され、ブロッキング絶縁膜7上にゲート電極8が形成されている。
【0014】
半導体基板1は、p型シリコンなどの半導体材料からなる基板である。ソース領域2およびドレイン領域3は、n型ドーパント例えば燐、砒素などのイオン注入などの方法でゲート電極と自己整合的に形成されている。ソース領域2とドレイン領域3の間の半導体基板1の表面部分がチャンネル領域となる。図示を省略しているが、ソース領域2およびドレイン領域3には開口部が形成されて電極の取出しが行われている。
【0015】
第1のトンネル絶縁膜4は、シリコンリッチな酸化シリコン(SiO)であり、SiOのxの範囲は0.2<x<1.8である。第1のトンネル絶縁膜4には、微細なSiの塊であるSiクラスタ9が析出している。
【0016】
第2のトンネル絶縁膜5は典型的にはSiOであり、書き込みの場合即ちゲート電極8に正電圧を印加した場合、第1のトンネル絶縁膜4であるシリコンリッチなシリコン酸化膜であるSiO側から電子を蓄積する層である電荷蓄積層6へトンネル効果によって電子を導入するトンネル絶縁膜として働く。ゲート電極8に負電圧を印加した場合、逆方向へのトンネル効果によって電荷蓄積層6から電子を減少させるトンネル絶縁膜として働く。ゲート電極8に対して印加せず、電荷蓄積層6の記憶維持状態の時は電荷蓄積層6から第1のトンネル絶縁膜4を通して半導体基板1へ電子が漏洩することを防ぐための絶縁膜として働く。
【0017】
電荷蓄積層6は典型的な材料としてはトラップを含むSiN層であり、電荷を蓄積する層として働く材料である。ブロッキング絶縁膜7はゲート電極8に電圧を印加した場合に、電荷が電荷蓄積層6からゲート電極8に漏洩することを防止する。典型的な材料としてはSiOである。またゲート電極8は、金属あるいはドープされたポリシリコン(doped poly−Si)である。
【0018】
第1のトンネル絶縁膜4(SiO)と第2のトンネル絶縁膜5(SiO)との組み合わせは、その両端に電圧を印加した場合に、第2のトンネル絶縁膜5から第1のトンネル絶縁膜4の方向には電子が流れ難く、逆に第1のトンネル絶縁膜4から第2のトンネル絶縁膜5へは電子が流れ易いというように、電子注入の容易さに異方性を持つ。この第1のトンネル絶縁膜4と第2のトンネル絶縁膜5の組み合わせを異方性トンネル層とする。
【0019】
第1のトンネル絶縁膜4がSiOであり、第2のトンネル絶縁膜5がSiOである場合、即ち、SiO/SiO構造である場合に、SiOからSiOの方向には電子が流れ難く、逆にSiOからSiOへは電子が流れ易い性質を持つ事に関しては、以下に引用するD.J.DiMaria等の論文,J.Appl.Phys.51(59),2722(1980),Appl.Pys.Lett.37(1),61(1980).で明らかにされている。
【0020】
D.J.DiMaria等の論文を基に図2乃至図6を用いて、SiO/SiO構造での電子注入の容易さの異方性について説明する。図2に実験に用いられたSiO/SiO構造を示す。Siである半導体基板21上に、SiOである絶縁膜25とSiOで表される絶縁膜24とが形成されている。また、絶縁膜24上にはアルミニウム(Al)であるゲート電極28が形成されている。半導体基板21とゲート電極28との間に電位差を生じさせるために、半導体基板21とゲート電極28には端子が接続されており、両端子に電圧を印加することでSiO/SiO構造に電流を流して、電流電圧特性(I−V特性)を測定した。絶縁膜24はSiリッチな酸化シリコンであり、SiO中に100ÅオーダーのSiクラスタ29が析出した構造となっている。
【0021】
SiO/SiO構造を半導体基板21側に設けた場合の電流電圧特性(I−V特性)を図3に、ゲート電極28側に設けた場合のI−V特性を図4に、半導体基板21側とゲート電極28側の両方に設けた場合のI−V特性を図5に示す。各図共に、横軸はゲート電極28に印加される電圧の大きさを示し、縦軸は電流値を示している。
【0022】
また、グラフ中において破線(Vg)で示されるI−V特性は、ゲート電極28にプラス電位を印加して、半導体基板21側からゲート電極28側に電子が流れる場合を示し、実線(Vg)で示されるI−V特性は、ゲート電極28にマイナス電位を印加して、ゲート電極28側から半導体基板21側に電子が流れる場合を示している。グラフ中の挿図は各層の配置を模式的に示したものである。灰色部分が100Å厚の絶縁膜24(SiO)であり、斜線部が半導体基板21(Si)であり、黒部分がAlで形成されたゲート電極28であり、無色部分が300Å厚の絶縁膜25(SiO)である。
【0023】
図3に示されたI−V特性からは同一電流値の場合にはVg<Vgがわかり、図4に示されたI−V特性からは同一電流値の場合にはVg>Vgであることがわかる。同じSi基板側からの電子注入で比較すると、図3Vgと図4VgのI−V特性の同じ電流値では、図3Vg<図4Vgであることがわかる。したがってSiO/SiO構造はSiOからSiO方向には電子を流し易いが逆方向には電子を流し難い事がわかる。
【0024】
SiO/SiO構造が電子注入の容易さの異方性を示す理由として、考えられているモデルを図6のポテンシャル図に示して説明する。絶縁膜24のSiO層中にはSiクラスタ29が析出していて、電子はSiクラスタ間をダイレクトトンネルで移動する。従ってSiO層はSiO層と比べると抵抗がかなり低くなる。SiO/SiO構造の全体としての電子の流れ易さは主に二層の界面付近で決まり、界面付近のSiクラスタからSiOへの電子の注入はFN(Fowler Nordheim)トンネルであると考えられる。Siクラスタ29(またはドット)の外形は曲面をもっている、換言すると、尖っているのでSiが平面として存在するよりも電界が集中する領域が存在する。その為Siクラスタ29の表面付近のSiOの電界強度は平均電界強度より高くなっている。以上に述べた理由によって、Siクラスタ29から絶縁膜25(SiO)への電子注入効率が高くなると考えられる。
【0025】
SiO/SiO構造はSiOからSiO方向には電子が流れやすいが、逆方向には電子が流れ難いという電子注入の容易さの異方性を持つ。これによって、ゲート電極に正電圧を印加した書き込み時は電子を流しやすいので、書き込み時間を短くすることが可能であり、記憶維持状態の時には電子を逆方向に輸送しにくいので、記憶維持時間を長くすることが可能となる。
【0026】
次に上述した構造の半導体素子を製造する方法について、図7を用いて説明する。まず、図7(a)に示すように、p型のシリコン単結晶の半導体基板1をLOCOS(local oxidation of silicon)などによって素子分離を行い、PECVD(plasma enhanced chemical vap or deposition)法によって、非化学量論的組成のSiOを半導体基板1の基板主面に3〜5nm程度堆積させて第1のトンネル絶縁膜4を形成する。次に、CVD法によってSiOを第1のトンネル絶縁膜4上に1〜5nm程度堆積させて第2のトンネル絶縁膜5を形成する。
【0027】
続いて図7(b)に示すように、LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)法によって第2のトンネル絶縁膜5上にSiN(Si)を3〜20nm程度堆積させて電荷蓄積層6を形成する。さらにCVD法によってSiOを電荷蓄積層6上に5〜10nm程度堆積させてブロッキング絶縁膜7を形成する。次いでブロッキング絶縁膜7上にAlまたはドープされたポリシリコン(doped poly−silicon)を堆積させてゲート電極8を形成する。
【0028】
次に図7(c)に示すように、窒素雰囲気中で例えば300℃から1100℃で一時間程の熱処理を加える。この熱処理によって第1のトンネル絶縁膜4では、SiO膜は相分離して図4に模式的に示したように数ナノメートル程度のSiクラスタ9が析出する。
【0029】
図7(d)はゲート多層膜のパターンニングを示しており、RIE(Reactive Ion Etching)などの方法によって、Siクラスタ9を含有する第1のトンネル絶縁膜4、第2のトンネル絶縁膜5、電荷蓄積層6、ブロッキング絶縁膜7およびゲート電極8は同じサイズに切断される。
【0030】
図7(e)では、イオン注入法などによって、半導体基板1の表面に例えば燐や砒素などのn型ドーパントを導入し、ゲート電極8と自己整合的にソース領域2およびドレイン領域3が形成される。次いで全面にCVD法によって絶縁膜を形成し、それをRIEなどによってエッチングすることで側壁にサイドウォールが形成される(図示せず)。最後に、ソース領域2およびドレイン領域3を開口して図示しない電極を所要のパターンで取り付けてメモリセルを完成する。
【0031】
[第2の実施の形態]
【0032】
次に、本発明に係る半導体素子および半導体素子の製造方法について他の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態と上述した第1の実施の形態との相違点は、半導体基板と第1のトンネル絶縁膜との間に極薄酸化膜が形成されている点だけである。また、本願発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、説明においては半導体素子を一つだけ記載して説明を行うが、半導体基板上には図示した半導体素子が複数形成されているものとする。
【0033】
図8は本願発明の半導体素子の構造を模式的に示す断面図であり、浮遊ゲート層が多層膜によって構成されるMISFET(metal insulatorsemiconductor field effect transistor)型素子である。図8に示すように半導体基板31上には、ソース領域32とドレイン領域33が形成され、半導体基板31上に極薄酸化膜40が2nm程度形成され、極薄酸化膜40上に第1のトンネル絶縁膜34が3〜5nm積層され、第1のトンネル絶縁膜34上に第2のトンネル絶縁膜35が1〜5nm積層され、第2のトンネル絶縁膜35上に電荷蓄積層36が3〜20nm積層され、電荷蓄積層36上にブロッキング絶縁膜37が5〜10nm積層され、ブロッキング絶縁膜37上にゲート電極38が形成されている。
【0034】
半導体基板31は、p型シリコンなどの半導体材料からなる基板である。ソース領域32およびドレイン領域33は、n型ドーパント例えば燐、砒素などのイオン注入などの方法でゲート電極と自己整合的に形成されている。ソース領域32とドレイン領域33の間の半導体基板31の表面部分がチャンネル領域となる。図示を省略しているが、ソース領域32およびドレイン領域33には開口部が形成されて電極の取出しが行われている。
【0035】
極薄酸化膜40は典型的にはSiOである。極薄酸化膜40はFETのチャンネル領域と第1のトンネル絶縁膜34との界面状態を整えるものであり、従来のドットメモリのトンネル絶縁膜とは用途が異なっており、半導体基板31(Si)から第1のトンネル絶縁膜34(SiO)へのキャリアの輸送の妨げにならない程度十分に薄い膜(例えば2nm以下)とする。換言すると、ダイレクトトンネルによってキャリアが過大な抵抗無く輸送される程度十分薄い膜とする。
【0036】
第1のトンネル絶縁膜34は、シリコンリッチな酸化シリコン(SiO)であり、SiOの組成はxの範囲が0.2<x<1.8である。第1のトンネル絶縁膜34には、微細なSiの塊であるSiクラスタ39が析出している。
【0037】
第2のトンネル絶縁膜35は典型的にはSiOであり、書き込みの場合即ちゲート電極38に正電圧を印加した場合、第1のトンネル絶縁膜34であるSiO側から電子を蓄積する層である電荷蓄積層36へトンネル効果によって電子を導入するトンネル絶縁膜として働く。ゲート電極38に負電圧を印加した場合、逆方向へのトンネル効果によって電荷蓄積層36から電子を減少させるトンネル絶縁膜として働く。ゲート電極38に対して印加せず、電荷蓄積層36の記憶維持状態の時は電荷蓄積層36から第1のトンネル絶縁膜34を通して半導体基板31へ電子が漏洩することを防ぐための絶縁膜として働く。
【0038】
電荷蓄積層36は典型的な材料としてはトラップを含むSiN層であり、電荷を蓄積する層として働く材料である。ブロッキング絶縁膜37はゲート電極38に電圧を印加した場合に、電荷が電荷蓄積層36からゲート電極38に漏洩することを防止する。典型的な材料としてはSiOである。またゲート電極38は、金属あるいはドープされたポリシリコン(doped poly−Si)である。
【0039】
第1のトンネル絶縁膜34(SiO)と第2のトンネル絶縁膜35(SiO)との組み合わせは、その両端に電圧を印加した場合に、第2のトンネル絶縁膜35から第1のトンネル絶縁膜34の方向には電子が流れ難く、逆に第1のトンネル絶縁膜34から第2のトンネル絶縁膜35へは電子が流れ易いというように、電子注入の容易さに異方性を持つ。この第1のトンネル絶縁膜44と第2のトンネル絶縁膜44の組み合わせを異方性トンネル層とする。
【0040】
SiO/SiO構造はSiOからSiO方向には電子が流れやすいが、逆方向には電子が流れ難いという電子注入の容易さの異方性を持つ。これによって、ゲート電極に電圧を印加した書き込み時は電子を流しやすいので、書き込み時間を短くすることが可能であり、記憶維持状態の時には電子を輸送しにくいので、記憶維持時間を長くすることが可能となる。
【0041】
また、極薄酸化膜40が半導体基板31と第1のトンネル絶縁膜34との間に存在して、両層の界面状態を整えることによって、第1のトンネル絶縁膜34(SiO)が直接FETのチャンネル領域と接した場合に、SiOの特性に依存するようなSiOとSiとの界面の影響うけ、FET動作の動作特性が劣化することを防止することが可能となる。
【0042】
次に上述した構造の半導体素子を製造する方法について、図9を用いて説明する。まず、図9(a)に示すように、p型のシリコン単結晶の半導体基板31をLOCOS(local oxidation of silicon)などによって素子分離を行い、熱酸化法によって半導体基板31上にSiO膜である極薄酸化膜40を2nm程度形成する。次にPECVD(plasma enhanced chemical vap or deposition)法によって、非化学量論的組成のSiOを極薄酸化膜40上に3〜5nm程度堆積させて第1のトンネル絶縁膜34形成する。次に、CVD法によってSiOを第1のトンネル絶縁膜34上に1〜5nm程度堆積させて第2のトンネル絶縁膜35を形成する。
【0043】
続いて図9(b)に示すように、LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)法によって第2のトンネル絶縁膜35上にSiNを3〜20nm程度堆積させて電荷蓄積層36を形成する。さらにCVD法によってSiOを電荷蓄積層36上に5〜10nm程度堆積させてブロッキング絶縁膜37を形成する。次いでブロッキング絶縁膜37上にAlまたはドープされたポリシリコン(doped poly−silicon)を堆積させてゲート電極38を形成する。
【0044】
次に図9(c)に示すように、窒素雰囲気中で例えば300℃から1100℃で一時間程の熱処理を加える。この熱処理によって第1のトンネル絶縁膜34では、SiO膜は相分離して図4に模式的に示したように数ナノメートル程度のSiクラスタ39が析出する。
【0045】
図9(d)はゲート多層膜のパターンニングを示しており、RIE(Reactive Ion Etching)などの方法によって、極薄酸化膜40、Siクラスタ39を含有する第1のトンネル絶縁膜34、第2のトンネル絶縁膜35、電荷蓄積層36、ブロッキング絶縁膜37およびゲート電極38は同じサイズに切断される。
【0046】
図9(e)では、イオン注入法などによって、半導体基板31の表面に例えば燐や砒素などのn型ドーパントを導入し、ゲート電極38と自己整合的にソース領域32およびドレイン領域33が形成される。次いで全面にCVD法によって絶縁膜を形成し、それをRIEなどによってエッチングすることで側壁にサイドウォールが形成される(図示せず)。最後に、ソース領域32およびドレイン領域33を開口して図示しない電極を所要のパターンで取り付けてメモリセルを完成する。
【0047】
【発明の効果】
SiO/SiO構造はSiOからSiO方向には電子が流れやすいが、逆方向には電子が流れ難いという電子注入の容易さの異方性を持つ。これによって、ゲート電極に電圧を印加した書き込み時は電子を流しやすいので、書き込み時間を短くすることが可能であり、記憶維持状態の時には電子を輸送しにくいので、記憶維持時間を長くすることが可能となる。
【0048】
極薄酸化膜が半導体基板と第1のトンネル絶縁膜との間に存在して、両層の界面状態を整えることによって、第1のトンネル絶縁膜(SiO)が直接FETのチャンネル領域と接した場合に、SiOの特性に依存するようなSiOとSiとの界面の影響うけ、FET動作の動作特性が劣化することを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態におけるMISFET型半導体素子の構造を示す模式断面図である。
【図2】D.J.DiMaria等によるSiO/SiO積層構造のI−V特性を測定するための実験を模式的に示す図である。
【図3】半導体基板側にSiO/SiO積層構造を設けた場合のI−V特性を示すグラフである。
【図4】ゲート電極側にSiO/SiO積層構造を設けた場合のI−V特性を示すグラフである。
【図5】半導体基板側とゲート電極側の両方にSiO/SiO積層構造を設けた場合のI−V特性を示すグラフである。
【図6】SiO/SiO積層構造が電子注入の容易さの異方性を示す理由を示すモデル図である。
【図7】第1の実施の形態におけるMISFET型半導体素子の製造方法を示す工程図である。
【図8】第2の実施の形態におけるMISFET型半導体素子の構造を示す模式断面図である。
【図9】第2の実施の形態におけるMISFET型半導体素子の製造方法を示す工程図である。
【図10】従来のMONOS型不揮発性記憶素子の構造を示す模式断面図である。
【符号の説明】
1,21,31,51  半導体基板
2,32,52  ソース領域
3,33,53  ドレイン領域
4,34    第1のトンネル絶縁膜
5,35    第2のトンネル絶縁膜
24,25    絶縁膜
55      トンネル絶縁膜
6,36,56  電荷蓄積層
7,37,57  ブロッキング絶縁膜
8,28,38,58  ゲート電極
9,29,39  シリコンクラスタ
40      極薄酸化膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device that operates as a nonvolatile memory device and a method for manufacturing the semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a semiconductor nonvolatile memory element, a MOSFET (metal-oxide semiconductor field effect transistor) having a floating gate layer has been used. In order to reduce the bit cost, high integration of these elements is required. However, since this type of element has a floating gate layer, it is becoming difficult to miniaturize the element. Therefore, recently, a MONOS (metal oxide nitride oxide semiconductor) type nonvolatile memory element has begun to be put into practical use.
[0003]
FIG. 10 shows the structure of this MONOS type nonvolatile memory element. The structure of the MONOS type nonvolatile memory element is such that a tunnel insulating film 55 (SiO 2 ) is formed on a semiconductor substrate 51 (Si) on which a source region 52 and a drain region 53 are formed, and charge is stored on the tunnel insulating film 55. It has a structure in which a layer 56 (SiN x ) is formed, a blocking insulating film 57 (SiO 2 ) is formed on the charge storage layer 56, and a gate electrode 58 is formed on the blocking insulating film 57. Since the charge accumulation in the MONOS type structure is carried out in the trap of thin SiN x, it is possible to perform miniaturization of elements, like the conventional MOSFET.
[0004]
Important characteristics of the nonvolatile memory element include a write time and a retention time. The MONOS element is suitable for miniaturization, but generally has a feature that the writing time is long. Therefore, if the tunnel insulating film (SiO 2 ) is made thinner in order to shorten the writing time, electrons can easily escape from the SiN x layer, which is the charge storage layer, by the reverse tunnel from the SiN x layer to the Si substrate after the writing applied voltage is removed. The maintenance time is shortened. In general terms, there is a trade-off between the writing time and the storage maintaining time, and this is an obstacle to widespread practical use of the MONOS type nonvolatile memory element.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element and a method of manufacturing the semiconductor element, which can shorten a writing time without shortening a memory retention time.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a semiconductor device of the present invention has a charge storage layer for storing data by storing carriers on a semiconductor substrate, and the semiconductor device is provided between the semiconductor substrate and the charge storage layer. It is characterized by having an anisotropic tunnel layer in which injection of electrons from the substrate side to the charge storage layer side is easier than injection of electrons from the charge storage layer side to the semiconductor substrate side.
[0007]
The injection of electrons from the semiconductor substrate side to the charge storage layer side has an anisotropic tunnel layer that is easier than the injection of electrons from the charge storage layer side to the semiconductor substrate side. At the time of writing with a voltage applied, electrons flow easily, so that the writing time can be shortened. When the memory is maintained, electrons are hardly transported, so that the memory holding time can be lengthened. In the SiO x / SiO 2 structure, which is a stacked structure of a silicon-rich silicon oxide (SiO x ) layer and a silicon oxide (SiO 2 ) layer, electrons easily flow from SiO x in the direction of SiO 2 , but in the opposite direction. Since it has anisotropy in the ease of electron injection, in which electrons hardly flow, it can be used as an anisotropic tunnel layer.
[0008]
In the semiconductor device according to the present invention, an ultrathin oxide film is further formed between the anisotropic tunnel layer and the semiconductor substrate.
[0009]
An ultra-thin oxide film exists between the semiconductor substrate and the first tunnel insulating film, and the interface between the two layers is adjusted so that the first tunnel insulating film (SiO x ) directly contacts the channel region of the FET. when, receiving the influence of the interface between the SiO x and Si that depend on the characteristics of SiO x, it is possible to prevent the operating characteristics of the FET operation is deteriorated.
[0010]
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an anisotropic tunnel layer on a semiconductor substrate, and a step of forming a charge storage layer on the anisotropic tunnel layer. , Is characterized by having. The method may further include forming an ultra-thin oxide film on the semiconductor substrate before forming the anisotropic tunnel layer.
[0011]
As a result, a tunnel insulating film having a diode effect is formed on the semiconductor substrate, and it is possible to manufacture a semiconductor device in which the writing time is shortened and the storage time is lengthened. Further, since an extremely thin oxide film can be formed between the semiconductor substrate and the anisotropic tunnel layer, it becomes possible to manufacture a semiconductor element capable of preventing the operating characteristics from being deteriorated.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
Hereinafter, a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following description, and can be appropriately modified without departing from the gist of the present invention. In the description, only one semiconductor element will be described, but it is assumed that a plurality of the illustrated semiconductor elements are formed on a semiconductor substrate.
[0013]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a semiconductor device of the present invention, which is a MISFET (metal insulator field effect transistor) type device in which a floating gate layer is composed of a multilayer film. As shown in FIG. 1, a source region 2 and a drain region 3 are formed on a semiconductor substrate 1, a first tunnel insulating film 4 is stacked on the semiconductor substrate 1 by 3 to 5 nm, and a first tunnel insulating film 4 is formed. A second tunnel insulating film 5 is stacked thereon with a thickness of 1 to 5 nm, a charge storage layer 6 is stacked on the second tunnel insulating film 5 with a thickness of 3 to 20 nm, and a blocking insulating film 7 is formed on the charge storage layer 6 with a thickness of 5 to 10 nm. The gate electrode 8 is formed on the blocking insulating film 7 by stacking.
[0014]
The semiconductor substrate 1 is a substrate made of a semiconductor material such as p-type silicon. The source region 2 and the drain region 3 are formed in a self-aligned manner with the gate electrode by a method such as ion implantation of an n-type dopant such as phosphorus or arsenic. The surface portion of the semiconductor substrate 1 between the source region 2 and the drain region 3 becomes a channel region. Although not shown, an opening is formed in the source region 2 and the drain region 3 to extract an electrode.
[0015]
The first tunnel insulating film 4 is silicon-rich silicon oxide (SiO x ), and the range of x of SiO x is 0.2 <x <1.8. In the first tunnel insulating film 4, Si clusters 9, which are fine lump of Si, are deposited.
[0016]
The second tunnel insulating film 5 is typically SiO 2 , and when writing, that is, when a positive voltage is applied to the gate electrode 8, the first tunnel insulating film 4 is a silicon-rich silicon oxide film SiO 2. It functions as a tunnel insulating film that introduces electrons by a tunnel effect into the charge storage layer 6 that is a layer that stores electrons from the x side. When a negative voltage is applied to the gate electrode 8, the gate electrode 8 functions as a tunnel insulating film for reducing electrons from the charge storage layer 6 by a tunnel effect in a reverse direction. When the voltage is not applied to the gate electrode 8 and the charge storage layer 6 is in the storage maintaining state, the charge storage layer 6 serves as an insulating film for preventing electrons from leaking from the charge storage layer 6 to the semiconductor substrate 1 through the first tunnel insulating film 4. work.
[0017]
The charge storage layer 6 is typically a SiN x layer including traps, and is a material that functions as a layer for storing charges. The blocking insulating film 7 prevents charge from leaking from the charge storage layer 6 to the gate electrode 8 when a voltage is applied to the gate electrode 8. Typical materials are SiO 2. The gate electrode 8 is made of metal or doped polysilicon (doped poly-Si).
[0018]
The combination of the first tunnel insulating film 4 (SiO x ) and the second tunnel insulating film 5 (SiO 2 ) is such that when a voltage is applied to both ends of the first tunnel insulating film 4 (SiO x ), the first tunnel insulating film 5 Electrons have anisotropy in ease of electron injection, such that electrons hardly flow in the direction of the insulating film 4 and conversely, electrons easily flow from the first tunnel insulating film 4 to the second tunnel insulating film 5. . The combination of the first tunnel insulating film 4 and the second tunnel insulating film 5 is used as an anisotropic tunnel layer.
[0019]
When the first tunnel insulating film 4 is made of SiO x and the second tunnel insulating film 5 is made of SiO 2, that is, in the case of a SiO x / SiO 2 structure, electrons are emitted in the direction from SiO 2 to SiO x. Are difficult to flow, and conversely, electrons easily flow from SiO x to SiO 2 . J. J. DiMaria et al. Appl. Phys. 51 (59), 2722 (1980), Appl. Pys. Lett. 37 (1), 61 (1980). It is revealed in.
[0020]
D. J. The anisotropy of the ease of electron injection in the SiO x / SiO 2 structure will be described with reference to FIGS. 2 to 6 based on a paper by DiMaria et al. FIG. 2 shows the SiO x / SiO 2 structure used in the experiment. An insulating film 25 of SiO 2 and an insulating film 24 of SiO x are formed on a semiconductor substrate 21 of Si. A gate electrode 28 made of aluminum (Al) is formed on the insulating film 24. In order to generate a potential difference between the semiconductor substrate 21 and the gate electrode 28, terminals are connected to the semiconductor substrate 21 and the gate electrode 28, and a voltage is applied to both terminals to form an SiO x / SiO 2 structure. A current was applied and current-voltage characteristics (IV characteristics) were measured. The insulating film 24 is made of Si-rich silicon oxide, and has a structure in which Si clusters 29 on the order of 100 ° are deposited in SiO 2 .
[0021]
FIG. 3 shows a current-voltage characteristic (IV characteristic) when the SiO x / SiO 2 structure is provided on the semiconductor substrate 21 side, and FIG. 4 shows an IV characteristic when the SiO x / SiO 2 structure is provided on the gate electrode 28 side. FIG. 5 shows the IV characteristics in the case of providing both on the 21 side and the gate electrode 28 side. In each of the figures, the horizontal axis indicates the magnitude of the voltage applied to the gate electrode 28, and the vertical axis indicates the current value.
[0022]
The IV characteristic indicated by a broken line (Vg + ) in the graph indicates a case where a positive potential is applied to the gate electrode 28 and electrons flow from the semiconductor substrate 21 to the gate electrode 28, and a solid line (Vg + ) The IV characteristic indicated by-) indicates a case where a negative potential is applied to the gate electrode 28 and electrons flow from the gate electrode 28 to the semiconductor substrate 21. The insets in the graph schematically show the arrangement of each layer. The gray portion is the insulating film 24 (SiO x ) having a thickness of 100 mm, the hatched portion is the semiconductor substrate 21 (Si), the black portion is the gate electrode 28 formed of Al, and the colorless portion is the insulating film having a thickness of 300 mm. 25 (SiO 2 ).
[0023]
From the IV characteristics shown in FIG. 3, Vg + <Vg is known when the current value is the same, and from the IV characteristics shown in FIG. 4, Vg + > Vg when the current value is the same. - and it can be seen. Comparing the electron injection from the same Si substrate side, it can be seen that, for the same current value of the IV characteristic of FIG. 3Vg + and FIG. 4Vg + , FIG. 3Vg + <FIG. 4Vg + . Therefore, it can be seen that the SiO x / SiO 2 structure allows electrons to flow easily from SiO x in the direction of SiO 2 but does not easily flow electrons in the opposite direction.
[0024]
As a reason why the SiO x / SiO 2 structure shows anisotropy of ease of electron injection, a model that is considered will be described with reference to a potential diagram of FIG. Si clusters 29 are precipitated in the SiO x layer of the insulating film 24, and electrons move between the Si clusters by a direct tunnel. Therefore, the resistance of the SiO x layer is considerably lower than that of the SiO 2 layer. The ease of flow of electrons as a whole in the SiO x / SiO 2 structure is mainly determined near the interface between the two layers, and the injection of electrons from the Si cluster near the interface into SiO 2 is considered to be a FN (Fowler Nordheim) tunnel. Can be The outer shape of the Si cluster 29 (or dot) has a curved surface, in other words, because it is sharp, there is a region where the electric field is more concentrated than Si exists as a flat surface. Therefore, the electric field intensity of SiO 2 near the surface of the Si cluster 29 is higher than the average electric field intensity. It is considered that the efficiency of electron injection from the Si cluster 29 to the insulating film 25 (SiO 2 ) increases for the reasons described above.
[0025]
The SiO x / SiO 2 structure has anisotropy in the ease of electron injection, in which electrons flow easily from SiO x in the direction of SiO 2 but electrons do not easily flow in the reverse direction. This makes it easier for electrons to flow during writing when a positive voltage is applied to the gate electrode, so that the writing time can be shortened.In the memory maintaining state, electrons are difficult to be transported in the reverse direction. It can be longer.
[0026]
Next, a method of manufacturing the semiconductor device having the above-described structure will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 7A, a p-type silicon single crystal semiconductor substrate 1 is subjected to element isolation by LOCOS (local oxidation of silicon) or the like, and non-isolated by PECVD (plasma enhanced chemical vapor or deposition) method. A first tunnel insulating film 4 is formed by depositing SiO x having a stoichiometric composition on the main surface of the semiconductor substrate 1 to a thickness of about 3 to 5 nm. Next, SiO 2 is deposited on the first tunnel insulating film 4 to a thickness of about 1 to 5 nm by a CVD method to form a second tunnel insulating film 5.
[0027]
Subsequently, as shown in FIG. 7B, SiN x (Si 3 N 4 ) is deposited on the second tunnel insulating film 5 by LPCVD (low pressure chemical deposition) to a thickness of about 3 to 20 nm to form a charge storage layer. 6 is formed. Further, a blocking insulating film 7 is formed by depositing SiO 2 on the charge storage layer 6 by about 5 to 10 nm by a CVD method. Next, Al or doped polysilicon (doped poly-silicon) is deposited on the blocking insulating film 7 to form the gate electrode 8.
[0028]
Next, as shown in FIG. 7C, a heat treatment is applied in a nitrogen atmosphere at, for example, 300 ° C. to 1100 ° C. for about one hour. By this heat treatment, in the first tunnel insulating film 4, the SiO x film is phase-separated and a Si cluster 9 of about several nanometers is precipitated as schematically shown in FIG.
[0029]
FIG. 7D shows patterning of the gate multilayer film. The first tunnel insulating film 4 and the second tunnel insulating film 5 containing the Si cluster 9 are formed by a method such as RIE (Reactive Ion Etching). The charge storage layer 6, the blocking insulating film 7, and the gate electrode 8 are cut to the same size.
[0030]
In FIG. 7E, an n-type dopant such as phosphorus or arsenic is introduced into the surface of the semiconductor substrate 1 by ion implantation or the like, so that the source region 2 and the drain region 3 are formed in a self-aligned manner with the gate electrode 8. You. Next, an insulating film is formed on the entire surface by a CVD method, and the insulating film is etched by RIE or the like to form a sidewall on a side wall (not shown). Finally, the source region 2 and the drain region 3 are opened and electrodes (not shown) are attached in a required pattern to complete a memory cell.
[0031]
[Second embodiment]
[0032]
Next, another embodiment of a semiconductor device and a method of manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that this embodiment is different from the above-described first embodiment only in that an extremely thin oxide film is formed between the semiconductor substrate and the first tunnel insulating film. Further, the present invention is not limited to the following description, and can be appropriately modified without departing from the gist of the present invention. In the description, only one semiconductor element will be described, but it is assumed that a plurality of the illustrated semiconductor elements are formed on a semiconductor substrate.
[0033]
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the semiconductor element of the present invention, which is a MISFET (metal insulator field effect transistor) type element in which a floating gate layer is formed of a multilayer film. As shown in FIG. 8, a source region 32 and a drain region 33 are formed on a semiconductor substrate 31, an ultra-thin oxide film 40 is formed on the semiconductor substrate 31 to a thickness of about 2 nm, and a first A tunnel insulating film 34 is laminated with a thickness of 3 to 5 nm, a second tunnel insulating film 35 is laminated with a thickness of 1 to 5 nm on the first tunnel insulating film 34, and a charge storage layer 36 with a thickness of 3 to 5 nm is formed on the second tunnel insulating film 35. The blocking insulating film 37 is stacked on the charge storage layer 36 to a thickness of 5 to 10 nm, and the gate electrode 38 is formed on the blocking insulating film 37.
[0034]
The semiconductor substrate 31 is a substrate made of a semiconductor material such as p-type silicon. The source region 32 and the drain region 33 are formed in a self-aligned manner with the gate electrode by a method such as ion implantation of an n-type dopant such as phosphorus or arsenic. The surface portion of the semiconductor substrate 31 between the source region 32 and the drain region 33 becomes a channel region. Although not shown, openings are formed in the source region 32 and the drain region 33 to take out electrodes.
[0035]
The ultra-thin oxide film 40 is typically SiO 2 . The ultra-thin oxide film 40 adjusts the interface state between the channel region of the FET and the first tunnel insulating film 34. The ultra-thin oxide film 40 is used for a different purpose from the conventional tunnel insulating film of the dot memory, and the semiconductor substrate 31 (Si) From the first tunnel insulating film 34 (SiO x ) to a sufficiently thin film (for example, 2 nm or less) so as not to hinder the transport of carriers. In other words, the film is thin enough to transport carriers without excessive resistance by the direct tunnel.
[0036]
The first tunnel insulating film 34 is silicon-rich silicon oxide (SiO x ), and the composition of SiO x is such that the range of x is 0.2 <x <1.8. In the first tunnel insulating film 34, a Si cluster 39, which is a fine lump of Si, is deposited.
[0037]
The second tunnel insulating film 35 is typically SiO 2. In the case of writing, that is, when a positive voltage is applied to the gate electrode 38, a layer that accumulates electrons from the SiO x side of the first tunnel insulating film 34. And acts as a tunnel insulating film for introducing electrons into the charge storage layer 36 by the tunnel effect. When a negative voltage is applied to the gate electrode 38, the gate electrode 38 functions as a tunnel insulating film that reduces electrons from the charge storage layer 36 by a tunnel effect in the reverse direction. When the voltage is not applied to the gate electrode 38 and the charge storage layer 36 is in the memory maintaining state, the charge storage layer 36 serves as an insulating film for preventing electrons from leaking from the charge storage layer 36 to the semiconductor substrate 31 through the first tunnel insulating film 34. work.
[0038]
The charge storage layer 36 is typically a SiN x layer including traps, and is a material that functions as a layer for storing charges. The blocking insulating film 37 prevents the charge from leaking from the charge storage layer 36 to the gate electrode 38 when a voltage is applied to the gate electrode 38. Typical materials are SiO 2. The gate electrode 38 is made of metal or doped polysilicon (doped poly-Si).
[0039]
The combination of the first tunnel insulating film 34 (SiO x ) and the second tunnel insulating film 35 (SiO 2 ) is such that when a voltage is applied to both ends thereof, the first tunnel insulating film 35 Electrons have anisotropy in the ease of electron injection, such that electrons hardly flow in the direction of the insulating film 34 and conversely, electrons easily flow from the first tunnel insulating film 34 to the second tunnel insulating film 35. . The combination of the first tunnel insulating film 44 and the second tunnel insulating film 44 is used as an anisotropic tunnel layer.
[0040]
The SiO x / SiO 2 structure has anisotropy in the ease of electron injection, in which electrons flow easily from SiO x in the direction of SiO 2 but electrons do not easily flow in the reverse direction. This makes it easier for electrons to flow during writing with a voltage applied to the gate electrode, so that the writing time can be shortened.In the memory maintaining state, it is difficult to transport electrons, so that the memory maintaining time can be lengthened. It becomes possible.
[0041]
In addition, the ultra-thin oxide film 40 exists between the semiconductor substrate 31 and the first tunnel insulating film 34, and the first tunnel insulating film 34 (SiO x ) is directly formed by adjusting the interface between the two layers. when in contact with the channel region of the FET, receiving the influence of the interface between the SiO x and Si that depend on the characteristics of SiO x, it is possible to prevent the operating characteristics of the FET operation is deteriorated.
[0042]
Next, a method of manufacturing the semiconductor device having the above-described structure will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 9A, a p-type silicon single crystal semiconductor substrate 31 is subjected to element isolation by LOCOS (local oxidation of silicon) or the like, and a SiO 2 film is formed on the semiconductor substrate 31 by a thermal oxidation method. An extremely thin oxide film 40 is formed to a thickness of about 2 nm. Then by PECVD (plasma enhanced chemical vap or deposition ) method, a non-stoichiometric deposited about 3~5nm on ultrathin oxide film 40 a SiO x composition to the first tunnel insulating film 34 formed. Next, SiO 2 is deposited on the first tunnel insulating film 34 to a thickness of about 1 to 5 nm by a CVD method to form a second tunnel insulating film 35.
[0043]
Then, as shown in FIG. 9 (b), to form a LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) method by the second tunnel insulating film 35 charge storage layer 36 is deposited about 3~20nm the SiN x on. Further, a blocking insulating film 37 is formed by depositing SiO 2 on the charge storage layer 36 by about 5 to 10 nm by the CVD method. Next, Al or doped polysilicon (doped poly-silicon) is deposited on the blocking insulating film 37 to form a gate electrode 38.
[0044]
Next, as shown in FIG. 9C, a heat treatment is applied in a nitrogen atmosphere at, for example, 300 ° C. to 1100 ° C. for about one hour. By this heat treatment, in the first tunnel insulating film 34, the SiO x film is phase-separated and a Si cluster 39 of about several nanometers is precipitated as schematically shown in FIG.
[0045]
FIG. 9D shows the patterning of the gate multilayer film. The ultra-thin oxide film 40, the first tunnel insulating film 34 containing the Si cluster 39, and the second tunneling film are formed by a method such as RIE (Reactive Ion Etching). The tunnel insulating film 35, the charge storage layer 36, the blocking insulating film 37, and the gate electrode 38 are cut to the same size.
[0046]
In FIG. 9E, an n-type dopant such as phosphorus or arsenic is introduced into the surface of the semiconductor substrate 31 by ion implantation or the like, so that the source region 32 and the drain region 33 are formed in a self-aligned manner with the gate electrode 38. You. Next, an insulating film is formed on the entire surface by a CVD method, and the insulating film is etched by RIE or the like to form a sidewall on a side wall (not shown). Finally, the source region 32 and the drain region 33 are opened and electrodes (not shown) are attached in a required pattern to complete a memory cell.
[0047]
【The invention's effect】
The SiO x / SiO 2 structure has anisotropy in the ease of electron injection, in which electrons flow easily from SiO x in the direction of SiO 2 but electrons do not easily flow in the reverse direction. This makes it easier for electrons to flow during writing when a voltage is applied to the gate electrode, so that the writing time can be shortened.In the memory maintaining state, it is difficult to transport electrons, so that the memory maintaining time can be lengthened. It becomes possible.
[0048]
An ultra-thin oxide film exists between the semiconductor substrate and the first tunnel insulating film, and the interface between the two layers is adjusted so that the first tunnel insulating film (SiO x ) directly contacts the channel region of the FET. when, receiving the influence of the interface between the SiO x and Si that depend on the characteristics of SiO x, it is possible to prevent the operating characteristics of the FET operation is deteriorated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a MISFET type semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. J. It is a diagram schematically showing an experiment to measure the I-V characteristic of the SiO x / SiO 2 multilayer structure by such DiMaria.
FIG. 3 is a graph showing IV characteristics when an SiO x / SiO 2 stacked structure is provided on the semiconductor substrate side.
FIG. 4 is a graph showing IV characteristics when a SiO x / SiO 2 stacked structure is provided on the gate electrode side.
FIG. 5 is a graph showing IV characteristics when a SiO x / SiO 2 stacked structure is provided on both the semiconductor substrate side and the gate electrode side.
FIG. 6 is a model diagram showing the reason why the SiO x / SiO 2 stacked structure shows anisotropy in ease of electron injection.
FIG. 7 is a process chart showing a method for manufacturing a MISFET type semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic sectional view showing a structure of a MISFET type semiconductor device according to a second embodiment.
FIG. 9 is a process chart showing a method for manufacturing a MISFET type semiconductor device according to the second embodiment.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional MONOS nonvolatile memory element.
[Explanation of symbols]
1, 21, 31, 51 Semiconductor substrate 2, 32, 52 Source region 3, 33, 53 Drain region 4, 34 First tunnel insulating film 5, 35 Second tunnel insulating film 24, 25 Insulating film 55 Tunnel insulating film 6, 36, 56 Charge storage layer 7, 37, 57 Blocking insulating film 8, 28, 38, 58 Gate electrode 9, 29, 39 Silicon cluster 40 Ultra-thin oxide film

Claims (25)

半導体基板上に、キャリアを蓄積させてデータを記憶させる電荷蓄積層を有し、
前記半導体基板と前記電荷蓄積層との間に、前記半導体基板側から前記電荷蓄積層側へのキャリアの注入が、前記電荷蓄積層側から前記半導体基板側へのキャリアの注入よりも容易である異方性トンネル層を有することを特徴とする半導体素子。
On a semiconductor substrate, having a charge storage layer for storing data by storing carriers,
Between the semiconductor substrate and the charge storage layer, injection of carriers from the semiconductor substrate side to the charge storage layer side is easier than injection of carriers from the charge storage layer side to the semiconductor substrate side. A semiconductor device having an anisotropic tunnel layer.
前記異方性トンネル層と前記半導体基板との間に、さらに極薄酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an ultra-thin oxide film is further formed between said anisotropic tunnel layer and said semiconductor substrate. 前記異方性トンネル層は、第1のトンネル絶縁膜と第2のトンネル絶縁膜の組み合わせによって形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the anisotropic tunnel layer is formed by a combination of a first tunnel insulating film and a second tunnel insulating film. 前記第1のトンネル絶縁膜は、シリコンリッチな酸化シリコンで構成されていることを特徴とする請求項3記載の半導体素子。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein said first tunnel insulating film is made of silicon-rich silicon oxide. 前記シリコンリッチな酸化シリコンの組成は、SiO(0.2<x<1.8)で表されることを特徴とする請求項4記載の半導体素子。The composition of the silicon-rich silicon oxide, the semiconductor device according to claim 4, characterized by being represented by SiO x (0.2 <x <1.8 ). 前記第1のトンネル絶縁膜中に、微細なシリコンクラスタが析出していることを特徴とする請求項4記載の半導体素子。5. The semiconductor device according to claim 4, wherein fine silicon clusters are deposited in the first tunnel insulating film. 前記第2のトンネル絶縁膜は、酸化シリコンによって構成されていることを特徴とする請求項3記載の半導体素子。4. The semiconductor device according to claim 3, wherein said second tunnel insulating film is made of silicon oxide. 前記電荷蓄積層は、窒化シリコンによって構成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said charge storage layer is made of silicon nitride. 前記極薄酸化膜は酸化シリコンによって構成されていることを特徴とする請求項2記載の半導体素子。3. The semiconductor device according to claim 2, wherein said ultra-thin oxide film is made of silicon oxide. ソース領域とドレイン領域が形成された半導体基板上に、第1のトンネル絶縁膜が形成され、
前記第1のトンネル絶縁膜上に第2のトンネル絶縁膜が形成され、
前記第2のトンネル絶縁膜上に電荷蓄積層が形成され、
前記電荷蓄積層上にブロッキング絶縁膜が形成され、
前記ブロッキング絶縁膜上にゲート電極が形成されていることを特徴とする半導体素子。
Forming a first tunnel insulating film on the semiconductor substrate on which the source region and the drain region are formed;
A second tunnel insulating film is formed on the first tunnel insulating film;
Forming a charge storage layer on the second tunnel insulating film;
A blocking insulating film is formed on the charge storage layer,
A semiconductor device, wherein a gate electrode is formed on the blocking insulating film.
前記第1のトンネル絶縁膜はシリコンリッチな酸化シリコンで構成され、前記第2のトンネル絶縁膜は酸化シリコンで構成され、前記電荷蓄積層は窒化シリコンで構成され、前記ブロッキング絶縁膜は酸化シリコンで構成されていることを特徴とする請求項10記載の半導体素子。The first tunnel insulating film is made of silicon-rich silicon oxide, the second tunnel insulating film is made of silicon oxide, the charge storage layer is made of silicon nitride, and the blocking insulating film is made of silicon oxide. The semiconductor device according to claim 10, wherein the semiconductor device is configured. 前記シリコンリッチな酸化シリコンの組成は、SiO(0.2<x<1.8)で表されることを特徴とする請求項11記載の半導体素子。The semiconductor device according to claim 11, wherein the composition of the silicon-rich silicon oxide is represented by SiO x (0.2 <x <1.8). 前記第1のトンネル絶縁膜中に、微細なシリコンクラスタが析出していることを特徴とする請求項11記載の半導体素子。12. The semiconductor device according to claim 11, wherein fine silicon clusters are deposited in the first tunnel insulating film. ソース領域とドレイン領域が形成された半導体基板上に、酸化シリコンである極薄絶縁膜が形成され、
前記極薄絶縁膜上に第1のトンネル絶縁膜が形成され、
前記第1のトンネル絶縁膜上に第2のトンネル絶縁膜が形成され、
前記第2のトンネル絶縁膜上に電荷蓄積層が形成され、
前記電荷蓄積層上にブロッキング絶縁膜が形成され、
前記ブロッキング絶縁膜上にゲート電極が形成されていることを特徴とする半導体素子。
On the semiconductor substrate on which the source region and the drain region are formed, an extremely thin insulating film made of silicon oxide is formed,
Forming a first tunnel insulating film on the ultra-thin insulating film;
A second tunnel insulating film is formed on the first tunnel insulating film;
Forming a charge storage layer on the second tunnel insulating film;
A blocking insulating film is formed on the charge storage layer,
A semiconductor device, wherein a gate electrode is formed on the blocking insulating film.
前記極薄絶縁膜は酸化シリコンで構成され、前記第1のトンネル絶縁膜はシリコンリッチな酸化シリコンで構成され、前記第2のトンネル絶縁膜は酸化シリコンで構成され、前記電荷蓄積層は窒化シリコンで構成され、前記ブロッキング絶縁膜は酸化シリコンで構成されていることを特徴とする請求項14記載の半導体素子。The ultra-thin insulating film is made of silicon oxide, the first tunnel insulating film is made of silicon-rich silicon oxide, the second tunnel insulating film is made of silicon oxide, and the charge storage layer is made of silicon nitride. The semiconductor device according to claim 14, wherein the blocking insulating film is made of silicon oxide. 前記シリコンリッチな酸化シリコンの組成は、SiO(0.2<x<1.8)で表されることを特徴とする請求項15記載の半導体素子。The composition of the silicon-rich silicon oxide, the semiconductor device according to claim 15, wherein the represented by SiO x (0.2 <x <1.8 ). 前記第1のトンネル絶縁膜中に、微細なシリコンクラスタが析出していることを特徴とする請求項15記載の半導体素子。16. The semiconductor device according to claim 15, wherein fine silicon clusters are deposited in the first tunnel insulating film. 半導体基板上に異方性トンネル層を形成する工程と、
前記異方性トンネル層上に電荷蓄積層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体素子の製造方法。
Forming an anisotropic tunnel layer on a semiconductor substrate;
Forming a charge storage layer on the anisotropic tunnel layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記異方性トンネル層を形成する前に、前記半導体基板上に極薄酸化膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項18記載の半導体素子の製造方法。19. The method according to claim 18, further comprising forming an ultra-thin oxide film on the semiconductor substrate before forming the anisotropic tunnel layer. 前記異方性トンネル層を形成する工程は、さらに第1のトンネル絶縁膜を形成する工程と、第2のトンネル絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする請求項18記載の半導体素子の製造方法。19. The semiconductor device according to claim 18, wherein the step of forming the anisotropic tunnel layer further includes a step of forming a first tunnel insulating film and a step of forming a second tunnel insulating film. Manufacturing method. 前記第1のトンネル絶縁膜を形成した後に、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項20記載の半導体素子の製造方法。21. The method according to claim 20, further comprising a step of performing a heat treatment in an inert gas atmosphere after forming the first tunnel insulating film. 前記第1のトンネル絶縁膜を形成する工程は、CVD法によってシリコンリッチな酸化シリコンを積層するものであることを特徴とする請求項20記載の半導体素子。21. The semiconductor device according to claim 20, wherein the step of forming the first tunnel insulating film comprises stacking silicon-rich silicon oxide by a CVD method. 前記第2のトンネル絶縁膜を形成する工程は、CVD法によって酸化シリコンを積層するものであることを特徴とする請求項20記載の半導体素子の製造方法。21. The method according to claim 20, wherein the step of forming the second tunnel insulating film comprises stacking silicon oxide by a CVD method. 前記電荷蓄積層を形成する工程は、CVD法によって窒化シリコンを積層するものであることを特徴とする請求項18記載の半導体素子の製造方法。19. The method according to claim 18, wherein the step of forming the charge storage layer comprises stacking silicon nitride by a CVD method. 前記極薄酸化膜を形成する工程は、熱酸化法によって前記半導体基板表面に酸化シリコンを形成するものであることを特徴とする請求項19記載の半導体素子の製造方法。20. The method according to claim 19, wherein the step of forming the ultra-thin oxide film comprises forming silicon oxide on the surface of the semiconductor substrate by a thermal oxidation method.
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