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JP2005228763A - Memory element and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2005228763A JP2004032911A JP2004032911A JP2005228763A JP 2005228763 A JP2005228763 A JP 2005228763A JP 2004032911 A JP2004032911 A JP 2004032911A JP 2004032911 A JP2004032911 A JP 2004032911A JP 2005228763 A JP2005228763 A JP 2005228763A
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俊司 中田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a memory element in which a manufacturing cost can be reduced markedly, without the need for using expensive materials, read-out of data is non-destructive, and a cell area can be made small, and which can cope to future scalings over a long period. <P>SOLUTION: A layer structure is obtained, by sequentially laminating a charge barrier layer 2, a charge transfer layer 3, and a gate electrode 4 on a semiconductor layer 1. The charge barrier layer 2 has defect density lower than the defect density in the charge moving layer 3 and has a barrier larger than that of the charge transfer layer 3. The charge in the charge transfer layer 3 is moved, by applying a voltage between the gate electrode 4 and the semiconductor layer 1. Charging of polarity opposite to that of the voltage applied to the gate electrode 4 is stored to the side of the gate electrode 4 in the charge transfer layer 3, and the charge of the same polarity as the voltage applied to the gate electrode 4 is stored on the side of the semiconductor layer 1 in the charge transfer layer 3, thereby changing the threshold of a MIS transistor. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、MOS(metal-oxide-semiconductor)型またはMIS(metal-insulator-semiconductor)型の記憶素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a MOS (metal-oxide-semiconductor) type or MIS (metal-insulator-semiconductor) type memory element and a method for manufacturing the same.

本発明の記憶素子は従来提案されている記憶素子とは動作原理が異なる。本願発明者等の知るところに限れば、本発明の記憶素子と同じ動作原理による記憶素子の先行技術は見当たらない。   The memory element of the present invention is different in operation principle from a conventionally proposed memory element. As far as the present inventors know, there is no prior art of a memory element based on the same operation principle as the memory element of the present invention.

そこで、まず、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18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、第2の電荷障壁層103、ゲート電極104、ソース105、およびドレイン106を有する。現在、実用化されているのは、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の障壁層101、103はSiO2 膜である。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で情報を記憶している。 Therefore, 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 a film configuration shown in FIG. 18 and includes at least a semiconductor layer 100, a first charge barrier layer 101, a charge storage layer 102, a second charge barrier layer 103, a gate electrode 104, a source 105, And a drain 106. Currently, a floating gate type charge storage memory element using polysilicon for the charge storage layer 102 is in practical use, and the first and second barrier layers 101 and 103 are SiO 2 films. Polysilicon is made conductive to form a floating gate. A voltage is applied between the semiconductor layer 100 and the gate electrode 104, a charge is injected from the semiconductor layer 100 to the gate electrode 104 through the first barrier layer 101, and the charge is stored in the charge storage layer 102. Information is stored by changing the threshold.

この型の記憶素子は、情報を10年以上記憶させるために、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。このとき、第2の障壁層103には電流を流さないようにするため、第2の障壁層103は第1の障壁層101より厚くなされている。   This type of storage element retains the charge stored in the charge storage layer 102 for 10 years or more in order to store information for 10 years or more. Therefore, the first and second barrier layers 101 and 103 need to be excellent in electrical insulation, and should not be conductive to a weak electric field. Injecting or extracting charges into the charge storage layer 102 (that is, writing or erasing information) increases the voltage applied between the semiconductor layer 100 and the gate electrode 104 and causes the Fowler to flow through the first barrier layer 101 by a strong electric field. -It is carried out by a Nordic (Fowler-Nordheim) type (FN type) tunneling current or other conduction mechanism appearing under a strong electric field. At this time, the second barrier layer 103 is thicker than the first barrier layer 101 so that no current flows through the second barrier layer 103.

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104に電圧を印加し、ソース・ドレイン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ほぼ同じであるが、電荷障壁層と電荷蓄積層の膜厚が厚いので、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、浮遊ゲート型は、第1の障壁層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 gate electrode 104 of the MOS transistor whose threshold value has changed due to charge accumulation and a voltage is applied between the source and drain. This read operation is almost the same as that of a normal MOS transistor. However, since the charge barrier layer and the charge storage layer are thick, it is necessary to apply a high gate voltage. Further, the floating gate type accumulates charges in conductive polysilicon, and the charge retention depends on the insulating performance of the first barrier layer 101. Therefore, in the floating gate type, it is difficult to make the first barrier layer 101 thin ( 7 to 8 nm with a SiO 2 film), and therefore, a low voltage for writing / erasing (currently 10 to 20 V) is also a limit. Has reached. Therefore, an example using polyacetylene (see, for example, Patent Document 1) or the like has been proposed in order to accumulate a large amount of charge in the floating gate.

電荷蓄積型メモリには、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。絶縁膜トラップ型においては、電荷蓄積層102にSiN膜やAl23 膜が使われ、これらには、MONOS(metal oxide nitride oxide sillicon)型、またはNROM(多ビット型)型、あるいは、SONOS(silicon oxide nitride oxide sillcon)型などの種類がある(例えば、非特許文献1参照)。絶縁膜トラップ型は、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。絶縁膜トラップ型は、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の障壁層101の絶縁性の要求条件は浮遊ゲート型よりも緩和される。そのため、電荷トラップ型は、第1の障壁層101をキャリアがトンネルできるほ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 floating gate type, the charge storage type memory includes an insulating film trap type that traps charges at localized levels where defects are generated. In the insulating film trap type, a SiN film or an Al 2 O 3 film is used for the charge storage layer 102, and these include a MONOS (metal oxide nitride oxide sillicon) type, an NROM (multi-bit type) type, or a SONOS type. There are types such as (silicon oxide nitride oxide sillcon) type (for example, see Non-Patent Document 1). The insulating trap type has been energetically researched and developed for future capacity expansion. In the insulating film trap type, electric charges are trapped at localized levels created by defects in the insulating film. Therefore, even if the first barrier layer 101 is locally conductive due to defects or the like, the local area near the defects is The charges trapped at the level only escape, not all the charges in the charge storage layer 102 escape, and the insulating requirements of the first barrier layer 101 are relaxed compared to the floating gate type. . Therefore, in the charge trap type, the first barrier layer 101 can be made thin enough to allow carriers to tunnel, and the voltage for writing, reading, and erasing information can be lowered.

しかし、絶縁膜トラップ型にも限界がある。すなわち、絶縁膜トラップ型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. That is, in the insulating film trap type, it is necessary to trap charges in the deep localized levels of the insulating film and suppress conduction between the traps, so that the trap space density 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、DRAM(dynamic random access memory)について説明する。DRAMは、1つのトランジシタと1つのキャパシタを1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、シリコン基板に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、シリコン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, DRAM (dynamic random access memory) will be described. A 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 is 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 silicon substrate, an oxide film is grown on the surface of the trench, the trench is then filled with polysilicon, and the silicon substrate and the polysilicon are formed. 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2参照)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、ITRS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。
特開平5−152576号公報 日経マイクロデバイス、2003年6月号、85〜90頁 ITRS:International Technology Roadmap for Semiconductors,<URL>http://www.itrs.net/
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 prediction (for example, see Non-Patent Document 2), 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 ITRS, the dielectric constant of the insulating film of the MIM capacitor in the DRAM is required to exceed 100 in the near future, and in the future, a value exceeding 1000 is required. As a material for realizing such a high dielectric constant, a material having a perovskite crystal structure is considered. Further, expensive metals such as Pt, Ru, and Ir that promote crystallization of perovskite crystals are required for the lower and upper electrodes. The electrode has a multilayer film structure that shares functions with expensive materials, and the number of manufacturing steps is remarkably increased, so an increase in cost is inevitable.
JP-A-5-152576 Nikkei Microdevice, June 2003, pages 85-90 ITRS: International Technology Roadmap for Semiconductors, <URL> http://www.itrs.net/

本発明の目的は、上記記憶素子とは異なる動作原理に基づき、高価な材料を用いる必要がなく製造コストを格段に引き下げることができ、データの読み出しが非破壊で、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記憶素子およびその製造方法を提供することである。   The object of the present invention is based on an operating principle different from that of the memory element, and it is not necessary to use an expensive material, so that the manufacturing cost can be drastically reduced, data reading is non-destructive, the cell area can be reduced, and the future It is an object of the present invention to provide a memory element and a method for manufacturing the same that can cope with the scaling of the device for a long time.

請求項1にかかる発明の記憶素子は、金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、前記絶縁膜が電荷移動層としての機能を持ち、当該電荷移動層中に電荷を保持するとともに、前記金属と前記半導体間に印加された電圧による前記電荷移動層内の電界によって前記電荷が前記電荷移動層中を移動し、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする。   A memory element according to a first aspect of the present invention has a MIS transistor structure made of a metal, an insulating film, and a semiconductor, and the insulating film functions as a charge transfer layer, and retains charges in the charge transfer layer. In addition, an electric field in the charge transfer layer caused by a voltage applied between the metal and the semiconductor moves the charge in the charge transfer layer, and a charge having a polarity opposite to the voltage applied to the metal moves in the charge transfer. A charge of the same polarity as the voltage applied to the metal is accumulated on the metal side in the layer on the semiconductor side in the charge transfer layer, thereby changing a threshold value of the MIS transistor. To do.

請求項2にかかる発明の記憶素子は、金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、前記絶縁膜が少なくとも電荷移動層と電荷障壁層とを有し、前記電荷障壁層の欠陥密度は前記電荷移動層中の欠陥密度よりも少なく、かつ、前記電荷障壁層は電荷移動に対して前記電荷移動層よりも大きな障壁を持ち、前記電荷障壁層が前記半導体に接し、前記電荷移動層が前記金属に接し、前記金属と前記半導体間に印加する電圧でつくられる電界により前記電荷移動層中の電荷を移動させ、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a memory element having a MIS type transistor structure comprising a metal, an insulating film, and a semiconductor, the insulating film having at least a charge transfer layer and a charge barrier layer, and a defect in the charge barrier layer. The density is less than the defect density in the charge transfer layer, and the charge barrier layer has a larger barrier to charge transfer than the charge transfer layer, the charge barrier layer is in contact with the semiconductor, and the charge transfer A layer is in contact with the metal, and a charge in the charge transfer layer is moved by an electric field generated by a voltage applied between the metal and the semiconductor, and a charge having a polarity opposite to the voltage applied to the metal A charge having the same polarity as the voltage applied to the metal is accumulated on the semiconductor side in the charge transfer layer, thereby changing a threshold value of the MIS transistor. And butterflies.

請求項3にかかる発明の記憶素子は、金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、前記絶縁膜が少なくとも電荷移動層と電荷障壁層とを有し、前記電荷障壁層の欠陥密度は前記電荷移動層中の欠陥密度よりも少なく、かつ、前記電荷障壁層は電荷移動に対して前記電荷移動層よりも大きな障壁を持ち、前記電荷障壁層が前記金属に接し、前記電荷移動層が前記半導体に接し、前記金属と前記半導体間に印加する電圧でつくられる電界により前記電荷移動層中の電荷を移動させ、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a memory element having a MIS transistor structure made of a metal, an insulating film, and a semiconductor, the insulating film having at least a charge transfer layer and a charge barrier layer, and a defect in the charge barrier layer. The density is less than the defect density in the charge transfer layer, and the charge barrier layer has a larger barrier to charge transfer than the charge transfer layer, the charge barrier layer is in contact with the metal, and the charge transfer A layer is in contact with the semiconductor, and the charge in the charge transfer layer is moved by an electric field generated by a voltage applied between the metal and the semiconductor, and a charge having a polarity opposite to the voltage applied to the metal A charge having the same polarity as the voltage applied to the metal is accumulated on the semiconductor side in the charge transfer layer, thereby changing a threshold value of the MIS transistor. And butterflies.

請求項4にかかる発明の記憶素子は、金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、前記絶縁膜が少なくとも電荷移動層と当該電荷移動層を挟んだ第1と第2の電荷障壁層とを有し、前記第1および第2の電荷障壁層の欠陥密度は前記電荷移動層中の欠陥密度よりも少なく、かつ、前記第1と第2の電荷障壁層は電荷移動に対して前記電荷移動層よりも大きな障壁を持ち、前記第1の電荷障壁層が前記半導体に接し、前記第2の電荷障壁層が前記金属に接し、前記金属と前記半導体間に電圧を印加することで前記電荷移動層中の電荷を移動させ、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a memory element having a MIS transistor structure comprising a metal, an insulating film, and a semiconductor, wherein the insulating film includes at least a charge transfer layer and the charge transfer layer. A defect density of the first and second charge barrier layers is less than a defect density in the charge transfer layer, and the first and second charge barrier layers are resistant to charge transfer. The first charge barrier layer is in contact with the semiconductor, the second charge barrier layer is in contact with the metal, and a voltage is applied between the metal and the semiconductor. The charge in the charge transfer layer is moved in such a manner that the charge having the opposite polarity to the voltage applied to the metal has the same polarity as the voltage applied to the metal on the metal side in the charge transfer layer. Accumulate on the semiconductor side in the charge transfer layer. Characterized in that changing the threshold value of the MIS transistor by.

請求項5にかかる発明は、請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、前記電荷移動層は、欠陥がつくる局在準位を持ち、当該局在準位に電荷を保持するとともに、前記金属と前記半導体間に印加する電圧が前記電荷移動層中につくる電界によって前記電荷が前記局在準位間を移動し、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記電極側に蓄積し、前記金属に印加した電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体側に蓄積することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the memory element according to any one of the first to fourth aspects, the charge transfer layer has a localized level created by a defect and holds a charge at the localized level. And the voltage applied between the metal and the semiconductor is moved between the localized levels by an electric field created in the charge transfer layer, and the charge having the opposite polarity to the voltage applied to the metal is The charge transfer layer accumulates on the electrode side, and charges having the same polarity as the voltage applied to the metal accumulate on the semiconductor side in the charge transfer layer.

請求項6にかかる発明は、請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、前記電荷移動層は、電荷保持層と第3の電荷障壁層を有し、前記電荷保持層の欠陥密度を前記第3の電荷障壁層の欠陥密度よりも大きくし、前記電荷保持層と前記第3の電荷障壁層を交互に積層した構造を有し、前記金属と前記半導体間に印加する電圧が前記電荷移動層中につくる電界により前記電荷保持層の電荷が前記電荷保持層間を移動することを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the memory element according to any one of the first to fourth aspects, the charge transfer layer includes a charge retention layer and a third charge barrier layer, and the charge retention layer includes: The voltage applied between the metal and the semiconductor has a structure in which the defect density is made larger than the defect density of the third charge barrier layer, the charge holding layer and the third charge barrier layer are alternately stacked. Is characterized in that the electric charge generated in the charge transfer layer moves between the charge storage layers by an electric field generated in the charge transfer layer.

請求項7にかかる発明は、請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、前記電荷移動層は、絶縁体中に設けた複数の微小導電体を有し、当該微小導電体に電荷を保持するとともに、前記金属と前記半導体間に印加する電圧が前記電荷移動層中につくる電界により前記微小導電体間を前記電荷が移動することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the memory element according to any one of the first to fourth aspects, the charge transfer layer includes a plurality of microconductors provided in an insulator, and the microconductor In addition, the charge is held between the metal and the semiconductor, and the charge is moved between the minute conductors by an electric field generated in the charge transfer layer by a voltage applied between the metal and the semiconductor.

請求項8にかかる発明は、請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、前記電荷移動層は、絶縁体からなる第1の層と微小導電体それぞれが離れた形で絶縁体内に設けられた第2の層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, in the memory element according to any one of the first to fourth aspects, the charge transfer layer is insulated in a form in which the first layer made of an insulator is separated from the microconductor. It has a structure in which second layers provided in the body are alternately stacked.

請求項9にかかる発明は、請求項1乃至6のいずれか1つに記載の記憶素子において、前記電荷移動層又は前記電荷保持層は、金属窒化物、金属酸窒化物、又は化学量論的組成がずれた金属酸化物のいずれか1つからなることを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the memory element according to any one of claims 1 to 6, wherein the charge transfer layer or the charge retention layer is a metal nitride, a metal oxynitride, or a stoichiometric. It consists of any one of the metal oxides which shifted | deviated in composition.

請求項10にかかる発明は、請求項2乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、前記電荷障壁層は、金属酸窒化物、又は化学量論的組成を持つ金属酸化物のうちの1つからなることを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the memory element according to any one of the second to fourth aspects, the charge barrier layer is a metal oxynitride or a metal oxide having a stoichiometric composition. It consists of one.

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、前記電荷移動層中の前記絶縁体は金属酸化物からなり、前記微小導電体は金属からなることを特徴とする。   According to an eleventh aspect of the present invention, in the memory element according to the seventh or eighth aspect, the insulator in the charge transfer layer is made of a metal oxide, and the microconductor is made of a metal.

請求項12にかかる発明は、請求項1乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷移動層は金属酸化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび酸素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記酸素ガスの供給量を、スパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率からずれる屈折率となる供給量として、前記電荷移動層を形成することを特徴とする。   A twelfth aspect of the present invention is the method of manufacturing a memory element according to any one of the first to fifth aspects, wherein the charge transfer layer is a metal oxide, and includes an electron cyclotron resonance plasma generating means, a rare earth element, Refraction of the metal oxide deposited by sputtering, using sputtering means having at least gas and oxygen gas supply means, a metal target, and power application means to the target. The charge transfer layer is formed as a supply amount whose refractive index is different from that of a metal oxide having a stoichiometric composition.

請求項13にかかる発明は、請求項1乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷移動層は金属窒化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記希ガスと前記窒素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記電荷移動層を形成することを特徴とする。   A thirteenth aspect of the present invention is the method of manufacturing a memory element according to any one of the first to fifth aspects, wherein the charge transfer layer is a metal nitride, an electron cyclotron resonance plasma generating means, Using the sputtering means having at least a gas and nitrogen gas supply means, a metal target, and a power application means for the target, supplying the rare gas and the nitrogen gas and sputtering the charge transfer layer It is characterized by forming.

請求項14にかかる発明は、請求項1乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷移動層は金属酸窒化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記希ガス、前記酸素ガスおよび前記窒素ガスを同時に供給してスパッタリングすることにより前記電荷移動層を形成することを特徴とする。   The invention according to claim 14 is the method of manufacturing a memory element according to any one of claims 1 to 5, wherein the charge transfer layer is a metal oxynitride, and an electron cyclotron resonance plasma generating means; Using a sputtering means having at least a rare gas, oxygen gas and nitrogen gas supply means, a metal target, and a power application means to the target, the rare gas, the oxygen gas and the nitrogen gas are simultaneously supplied. The charge transfer layer is formed by sputtering.

請求項15にかかる発明は、 請求項2乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、記電荷移動層および前記電荷障壁層は金属酸化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび酸素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記希ガスを供給するとともに、前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率となる第1の供給量として前記電荷障壁層を形成し、前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率からずれた屈折率となる第2の供給量として前記電荷移動層を形成することを特徴とする。   The invention according to claim 15 is the method of manufacturing a memory element according to any one of claims 2 to 5, wherein the charge transfer layer and the charge barrier layer are a metal oxide, and an electron cyclotron resonance plasma. A sputtering unit having at least a generating unit, a rare gas and oxygen gas supply unit, a metal target, and a power application unit to the target is used to supply the rare gas and supply amount of the oxygen gas. The charge barrier layer is formed as a first supply amount in which the refractive index of the metal oxide deposited by sputtering becomes the refractive index of the stoichiometric metal oxide, and the supply amount of the oxygen gas is sputtered. As the second supply amount, the refractive index of the metal oxide deposited by the above method becomes a refractive index shifted from the refractive index of the stoichiometric metal oxide. And forming a moving layer.

請求項16にかかる発明は、請求項2乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷移動層が金属窒化物であり、前記電荷障壁層が金属酸化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記希ガスと前記酸素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記電荷障壁層を形成し、前記希ガスと前記窒素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記電荷移動層を形成することを特徴とする。   The invention according to claim 16 is the method of manufacturing a memory element according to any one of claims 2 to 5, wherein the charge transfer layer is a metal nitride, and the charge barrier layer is a metal oxide. A sputtering means having at least an electron cyclotron resonance plasma generation means, a rare gas, oxygen gas and nitrogen gas supply means, a metal target, and a power application means to the target; and the rare gas and the The charge barrier layer is formed by supplying oxygen gas and sputtering, and the charge transfer layer is formed by supplying and sputtering the rare gas and nitrogen gas.

請求項17にかかる発明は、請求項6に記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷移動層中の前記電荷保持層および前記第3の電荷障壁層は金属酸化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび酸素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率となる第1の供給量として前記第3の電荷障壁層を形成し、前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率からずれた屈折率となる第2の供給量として前記電荷保持層を形成することを特徴とする。   The invention according to claim 17 is the method of manufacturing a memory element according to claim 6, wherein the charge retention layer and the third charge barrier layer in the charge transfer layer are metal oxides, and an electron cyclotron. A sputtering means having at least a resonance plasma generating means, a rare gas and oxygen gas supply means, a metal target, and a power application means to the target is used, and the supply amount of the oxygen gas is deposited by sputtering. The third charge barrier layer is formed as a first supply amount in which the refractive index of the metal oxide becomes the refractive index of a metal oxide having a stoichiometric composition, and the supply amount of the oxygen gas is deposited by sputtering. The charge retention layer is formed as a second supply amount in which the refractive index of the metal oxide has a refractive index deviated from the refractive index of the stoichiometric metal oxide. The features.

請求項18にかかる発明は、請求項6に記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷移動層中の前記電荷保持層が金属窒化物であり、前記第3の電荷障壁層が金属酸化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記希ガスと前記酸素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記第3の電荷障壁層を形成し、前記希ガスと前記窒素ガスを供給することにより前記電荷保持層を形成することを特徴とする。   The invention according to claim 18 is the method of manufacturing a memory element according to claim 6, wherein the charge retention layer in the charge transfer layer is a metal nitride, and the third charge barrier layer is a metal oxide. A sputtering means having at least an electron cyclotron resonance plasma generating means, a rare gas, oxygen gas and nitrogen gas supply means, a metal target, and a power application means to the target, and the rare gas And the oxygen gas is supplied and sputtered to form the third charge barrier layer, and the rare gas and the nitrogen gas are supplied to form the charge retention layer.

請求項19にかかる発明は、請求項6に記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷移動層中の前記電荷保持層が金属酸窒化物であり、前記第3の電荷障壁層が金属酸化物であり、電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、前記希ガスと前記酸素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記第3の電荷障壁層を形成し、次に、前記ターゲットに電力を印加せず、前記希ガスと前記窒素ガスの電子サイクロトロン共鳴プラズマを前記第3の電荷障壁層表面に照射することにより前記第3の電荷障壁層表面に前記電荷保持層を形成することを特徴とする。   The invention according to claim 19 is the method of manufacturing a memory element according to claim 6, wherein the charge retention layer in the charge transfer layer is a metal oxynitride, and the third charge barrier layer is a metal. A sputtering means which is an oxide and has at least an electron cyclotron resonance plasma generation means, a rare gas, oxygen gas and nitrogen gas supply means, a metal target, and a power application means to the target; The third charge barrier layer is formed by sputtering by supplying a gas and the oxygen gas, and then applying an electron cyclotron resonance plasma of the rare gas and the nitrogen gas without applying power to the target. The charge retention layer is formed on the surface of the third charge barrier layer by irradiating the surface of the third charge barrier layer.

請求項20にかかる発明は、請求項2又は4に記載の記憶素子の製造方法であって、前記電荷障壁層はSiO2 であり、前記半導体はシリコンであり、当該SiO2 を、希ガスと酸素ガスの電子サイクロトロン共鳴プラズマを前記シリコンの表面に照射することにより形成することを特徴とする。 The invention according to claim 20 is the method for manufacturing the memory element according to claim 2 or 4, wherein the charge barrier layer is SiO 2 , the semiconductor is silicon, and the SiO 2 is used as a rare gas. It is formed by irradiating the surface of the silicon with electron cyclotron resonance plasma of oxygen gas.

請求項21にかかる発明は、請求項7又は8に記載の記憶素子の製造方法であって、前記微小導電体は、加熱した前記絶縁体表面に金属膜を堆積することにより形成することを特徴とする。   The invention according to claim 21 is the method of manufacturing the memory element according to claim 7 or 8, wherein the microconductor is formed by depositing a metal film on the surface of the heated insulator. And

本発明は、従来のメモリとは異なる原理で動作する記憶素子であり、MIS型トランジスタのゲート絶縁膜の部位に保持され移動する電荷を利用しているので、高価な材料を用いる必要がなく、メモリの製造コストを格段に引き下げることができる。また、既存DRAMが1TIC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。1TIC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、本発明のメモリはデータの読み出しが非破壊であるため、この点でも1TIC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。   The present invention is a storage element that operates on a principle different from that of a conventional memory, and uses a charge that is held and moved in a portion of a gate insulating film of a MIS transistor, so there is no need to use an expensive material, Memory manufacturing costs can be significantly reduced. Further, while the existing DRAM is composed of 1 TIC, the memory element of the present invention can obtain the function of DRAM with only 1T. Reading data from 1TIC DRAM is destructive reading, and rewriting is performed immediately after reading. However, since the memory of the present invention is nondestructive to read data, this point is also superior to 1TIC 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に実施例1の記憶素子の基本構成の断面図を示す。半導体層1上に電荷障壁層2、電荷移動層3、ゲート電極4が順次形成され、両端にソース5およびドレイン6が形成される。図2は実施例1の動作原理を説明するための図であり、半導体層1はp型であって、ゲート電極4にプラスの電圧を印加した場合を示す。電荷障壁層2と電荷移動層3はMIS型トランジスタのゲート絶縁膜として機能する。ゲート電極4にプラス電圧を印加すると、半導体層1表面には反転層、すなわち、少数キャリアである電子が誘起され、その一部は電荷障壁層2を突き抜けて電荷移動層3に注入される。電荷移動層3に注入された電子の一部は、局在準位にトラップされるが、電荷移動層3の局在準位の電荷を電界によって移動できるようにしておくと、電子は電界によってゲート電極4側に移動し、その一部はゲート電極4に抜ける。ゲート電極4のプラス電荷は、その一部が電荷移動層3中に注入され、電界によって電荷障壁層2の方に移動し、局在準位にトラップされる。このような一連の電荷移動により、電荷移動層3の半導体層1側にはプラス電荷が、ゲート電極4側にはマイナス電荷がより多くトラップされる。   FIG. 1 shows a cross-sectional view of the basic configuration of the memory element of Example 1. A charge barrier layer 2, a charge transfer layer 3, and a gate electrode 4 are sequentially formed on the semiconductor layer 1, and a source 5 and a drain 6 are formed at both ends. FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle of the first embodiment, and shows a case where the semiconductor layer 1 is p-type and a positive voltage is applied to the gate electrode 4. The charge barrier layer 2 and the charge transfer layer 3 function as a gate insulating film of the MIS transistor. When a positive voltage is applied to the gate electrode 4, an inversion layer, that is, an electron which is a minority carrier, is induced on the surface of the semiconductor layer 1, and a part of the electron penetrates the charge barrier layer 2 and is injected into the charge transfer layer 3. Some of the electrons injected into the charge transfer layer 3 are trapped in the localized level. If the charges at the localized level of the charge transfer layer 3 can be moved by an electric field, the electrons are moved by the electric field. It moves to the gate electrode 4 side, and part of it moves out to the gate electrode 4. A part of the positive charge of the gate electrode 4 is injected into the charge transfer layer 3, moves toward the charge barrier layer 2 by an electric field, and is trapped at a localized level. By such a series of charge transfer, more positive charges are trapped on the semiconductor layer 1 side of the charge transfer layer 3 and more negative charges are trapped on the gate electrode 4 side.

本実施例1では、ゲート電極4側に電荷障壁層を用いていないため、ゲート電極4からのプラス電荷の注入・移動の方が優勢であり、プラス電荷が電荷障壁層2側に多く蓄積されることになる。これらの電荷が保持されている間はMIS型トランジスタの閾値を低くすることになる。すなわち、ゲート電極4に印加するプラス電圧がより低い状態でトランジスタがオンの状態になる。保持する電荷の量をある程度多くしておけば、ゲート電圧が0Vであってもトランジスタをオンの状態にしておくことが可能である。この状態は、情報“1”の記憶に相当する。情報“0”を記憶するにはゲート電極4に対して半導体1の側をプラスにすれば良いことは説明するまでもないであろう。電荷移動と半導体中キャリアの動きについては後述の実験例1においてさらに詳細に説明する。   In the first embodiment, since no charge barrier layer is used on the gate electrode 4 side, positive charge injection / migration from the gate electrode 4 is more dominant, and a lot of positive charge is accumulated on the charge barrier layer 2 side. Will be. While these charges are held, the threshold value of the MIS transistor is lowered. That is, the transistor is turned on when the positive voltage applied to the gate electrode 4 is lower. If the amount of charge to be held is increased to some extent, the transistor can be turned on even when the gate voltage is 0V. This state corresponds to storage of information “1”. Needless to say, in order to store the information “0”, the side of the semiconductor 1 should be positive with respect to the gate electrode 4. The charge transfer and the movement of carriers in the semiconductor will be described in more detail in Experimental Example 1 described later.

電荷移動層3には、電荷をトラップするため、また、その電荷を弱電界によつて移動させるための適度な空間密度の欠陥が必要である。欠陥は絶縁膜のバンドギャップの中に局在準位を作る。局在準位にトラップされている電荷の波動関数の重なりがほとんどないほどの疎の欠陥密度の場合には、電荷が弱電界で容易に移動するには、キャリアが熱励起によって局在準位から絶縁膜の伝導帯に脱出できなければならないので、キャリアが電子の場合、伝導帯の底からの局在準位の深さが極浅くなければならない。局在準位が深い場合で波動関数の重なりがある場合には、いわゆる、トラップアシストトンネル伝導によって局在準位間を移動できので、局在準位の探さと重なりの程度によって電荷の移動のし易さが決まる。通常、化学量論的組成のずれた化合物が作る欠陥は、深い局在準位を持つと考えられる。したがって、欠陥の空間密度を制御することで電荷のトンネル移動を生じせしめる方法が適すると考えられる。トラップされた電荷の波動関数が重なりあう距離は、およそ5nm以下であると考えられ、その距離を短くすることと、低電圧で動作させることは対応するので本発明の記憶素子は微細な素子に適応できる。電荷がトラップされている準位の深さや電荷移動による膜の抵抗値は実験的に求めることができ、電荷移動層3の最適な電気的特性を得ることが可能である。   The charge transfer layer 3 needs to have a defect with an appropriate space density for trapping the charge and for moving the charge by a weak electric field. The defect creates a localized level in the band gap of the insulating film. In the case of a sparse defect density with almost no overlapping of the wave functions of the charges trapped in the localized levels, the carriers can be moved by localized excitation by thermal excitation in order for the charges to move easily in a weak electric field. Therefore, when the carrier is an electron, the depth of the localized level from the bottom of the conduction band must be extremely shallow. When there are overlapping wave functions when the localized level is deep, so-called trap-assisted tunnel conduction can move between the localized levels, so the charge movement depends on the search for the localized level and the degree of overlap. The ease is determined. Usually, a defect formed by a compound having a stoichiometric composition is considered to have a deep localized level. Therefore, it is considered that a method of causing charge tunneling by controlling the spatial density of defects is suitable. The distance at which the trapped charge wave functions overlap is considered to be about 5 nm or less, and shortening the distance corresponds to operating at a low voltage. Therefore, the memory element of the present invention is a fine element. Adaptable. The depth of the level where charges are trapped and the resistance value of the film due to charge transfer can be obtained experimentally, and the optimum electrical characteristics of the charge transfer layer 3 can be obtained.

電荷障壁層2と電荷移動層3は、MIS型トランジスタのゲート絶縁膜としての機能も果たさなければならない。したがって、長期的に閾値が大きく変動したり、電荷移動層3の電気特性が劣化するようなことがあってはならない。一般的に、強電界を絶縁膜に印加すると絶縁膜の劣化は早いが、弱電界では劣化は遅い。本発明の電荷移動型記憶素子は、弱電界(低ゲート電圧)で動作するので、劣化は遅いと予想できる。   The charge barrier layer 2 and the charge transfer layer 3 must also function as a gate insulating film of the MIS transistor. Therefore, the threshold value should not fluctuate greatly over the long term or the electrical characteristics of the charge transfer layer 3 should not deteriorate. Generally, when a strong electric field is applied to an insulating film, the deterioration of the insulating film is fast, but with a weak electric field, the deterioration is slow. Since the charge transfer memory element of the present invention operates with a weak electric field (low gate voltage), it can be expected that the deterioration is slow.

電荷障壁層2は、半導体層1に接する絶縁膜であるから、良好なMISトランジスタ特性をもたらす絶縁膜に限られる。その代表的な材料は、熱酸化で形成したSiO2 膜であるが、近年、盛んに開発が進められている高誘電率(high-k)ゲート絶縁膜であっても良い。ECRスパッタ法で形成したSiO2 膜、SiOxy 膜、Al23 膜、AlOxy 膜、HfO2 膜、HfOxy 膜なども好適である。また、ArとO2 ガスのECRプラズマ流をシリコン基板に照射して成長させたSiO2 膜も好適である。これらの膜の形成方法は後述する。また、この膜構成のMISダイオードの特性の実測例を後述する。 Since the charge barrier layer 2 is an insulating film in contact with the semiconductor layer 1, it is limited to an insulating film that provides good MIS transistor characteristics. A typical material is a SiO 2 film formed by thermal oxidation, but it may be a high dielectric constant (high-k) gate insulating film which has been actively developed in recent years. A SiO 2 film, SiO x N y film, Al 2 O 3 film, AlO x N y film, HfO 2 film, HfO x N y film, etc. formed by ECR sputtering are also suitable. A SiO 2 film grown by irradiating a silicon substrate with an ECR plasma flow of Ar and O 2 gas is also suitable. A method for forming these films will be described later. An example of actual measurement of the characteristics of the MIS diode having this film configuration will be described later.

電荷障壁層2は電荷蓄積型記憶素子のように電荷を長期間保持するためのものではないので厚く形成する必要はない。電荷障壁層2を厚くすると、電荷移動させるためのゲート電圧を高くする必要があり、また、電荷移動による閾値の変化が小さくなる。したがって、電荷障壁層2は最小限の厚さにするのが好ましい。電荷障壁層2にHigh-k 膜を用いる場合、その厚さは、酸化膜換算膜厚(EOT:equivalent oxide thickness)で議論する。EOTは、
EOT={(SiO2 膜の誘電率)÷(High-k 膜の誘電率)}×(High-k 膜の誘電率)
と定義される。High-k 膜を用いると、SiO2 膜に比べて、同じEOTでより大きな電荷移動抑制効果が得られる。また、より薄いEOTの電荷障壁層2を用いることにより、トランジスタのゲート電圧を低くすることが可能になる。
The charge barrier layer 2 does not need to be formed thick because it is not for holding charges for a long period of time unlike the charge storage type storage element. When the charge barrier layer 2 is thickened, it is necessary to increase the gate voltage for moving charges, and the change in threshold value due to charge movement is reduced. Therefore, it is preferable that the charge barrier layer 2 has a minimum thickness. When a high-k film is used for the charge barrier layer 2, the thickness thereof will be discussed in terms of an equivalent oxide thickness (EOT). EOT is
EOT = {(dielectric constant of SiO 2 film) ÷ (dielectric constant of high-k film)} × (dielectric constant of high-k film)
Is defined. When the high-k film is used, a larger charge transfer suppression effect can be obtained with the same EOT than the SiO 2 film. Further, by using the thinner EOT charge barrier layer 2, the gate voltage of the transistor can be lowered.

電荷移動層3には、Si化合物のSiOx 膜(0<x<2)、SiN膜、およびSiOxy 膜、Al化合物のAlOx 膜(0<x<1.5)、AlN膜、およびAlOxy 膜、Hf化合物のHfOx 膜(0<x<2)、HfN膜、およびHfOxy 膜などが適する。これらの膜の形成方法は後述する。 The charge transfer layer 3 includes a Si compound SiO x film (0 <x <2), a SiN film, and a SiO x N y film, an Al compound AlO x film (0 <x <1.5), an AlN film, And AlO x N y film, HfO x film of Hf compound (0 <x <2), HfN film, and HfO x N y film are suitable. A method for forming these films will be described later.

<実験例1>
本実験例1では上記の実施例1と同じ膜構成で作製したMISダイオードによる記憶動作を確認した実験例を示す。図3は作製したMISダイオードの概略断面構造を示す図であり、51は半導体層、52は電荷障壁層、53は電荷移動層、54はゲート電極である。半導体層5lには抵抗率が3〜5Ωcmで面方位が(100)のp型シリコン基板を用いた。電荷障壁層52にはAl23 膜を用いた。この電荷障壁層52は、半導体層51に接する絶縁膜であるから、良好なMISトランジスタ特性をもたらす絶縁膜に限られる。その代表的な材料は、熱酸化で形成したSiO2 膜であるが、近年、盛んに開発が進められているHigh-k ゲート絶縁膜であっても良い。
<Experimental example 1>
This experimental example 1 shows an experimental example in which the memory operation by the MIS diode manufactured with the same film configuration as that of the first example was confirmed. FIG. 3 is a diagram showing a schematic cross-sectional structure of the manufactured MIS diode. 51 is a semiconductor layer, 52 is a charge barrier layer, 53 is a charge transfer layer, and 54 is a gate electrode. A p-type silicon substrate having a resistivity of 3 to 5 Ωcm and a plane orientation of (100) was used for the semiconductor layer 5l. An Al 2 O 3 film was used for the charge barrier layer 52. Since the charge barrier layer 52 is an insulating film in contact with the semiconductor layer 51, the charge blocking layer 52 is limited to an insulating film that provides good MIS transistor characteristics. A typical material is a SiO 2 film formed by thermal oxidation, but a high-k gate insulating film which has been actively developed in recent years may be used.

本実験例1のAl23 膜は、High-k 材料の1つであるが、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマを利用した反応性スパッタリング法によって形成した膜である。その堆積方法とAl23 膜の基本的なMISダイオード特性は、例えば、文献(Y.Jin,K.Saito,M.Shimada and T.Ono,"Using electron cyclotron resonance sputtering in the deposition of ultrathin A1203 gate dilectrics",Journal of Vacuum Science & Technology B21,942(2003).)、および持願2001−270029号公報を参照されたい。 The Al 2 O 3 film of Experimental Example 1 is one of the high-k materials, but is a film formed by a reactive sputtering method using electron cyclotron resonance (ECR) plasma. The deposition method and basic MIS diode characteristics of the Al 2 O 3 film are described in, for example, the literature (Y. Jin, K. Saito, M. Shimada and T. Ono, “Using electron cyclotron resonance sputtering in the deposition of ultrathin A1. 2 0 3 gate dilectrics ", Journal of Vacuum Science & Technology B21, 942 (2003).), And Japanese Patent Application No. 2001-270029.

本実験例1では、ECRスパッタ法により、AlターゲットとAr/O2 ガスによるメタルモード堆積(O2 流量を少なくした堆積条件)にて1.5nmの厚さのAl23 膜を堆積し、続いて、Ar/O2 ガスのECRプラズマを30秒間Al23 膜上に照射した。Al23 膜の堆積とECRプラズマ照射条件の概略は以下の通りである。
Al23 膜堆積条件;
Ar流量:20sccm、O2 流量:5.5sccm、マイクロ波(2.45GHz)電力:500W、高周波(13.56MHz)電力:500W、ターゲット:Al、基板加熱せず。
ECRプラズマ照射条件;
Ar流量:20sccm、O2 流量:8sccm、マイクロ波電力:500W、照射時間:20sec。
In Experimental Example 1, an Al 2 O 3 film having a thickness of 1.5 nm was deposited by metal mode deposition (deposition conditions with a reduced O 2 flow rate) using an Al target and Ar / O 2 gas by ECR sputtering. Subsequently, an Ar / O 2 gas ECR plasma was irradiated onto the Al 2 O 3 film for 30 seconds. The outline of the deposition of the Al 2 O 3 film and the ECR plasma irradiation conditions is as follows.
Al 2 O 3 film deposition conditions;
Ar flow rate: 20 sccm, O 2 flow rate: 5.5 sccm, microwave (2.45 GHz) power: 500 W, high frequency (13.56 MHz) power: 500 W, target: Al, no substrate heating.
ECR plasma irradiation conditions;
Ar flow rate: 20 sccm, O 2 flow rate: 8 sccm, microwave power: 500 W, irradiation time: 20 sec.

これらの工程を繰り返すことにより、4.5nmの厚さのAl23 膜を堆積し、電荷障壁層52とした。ECRプラズマ照射は、Al23 膜中およびAl23 /Si界面の膜堆積時の酸化不足による欠陥を減少させる効果があると考えられ、MOS特性の改善効果が確認されている(持願2001−270029号公報)。ECRプラズマ照射は最初の1.5nmのAl23 膜に施すだけでもMIS界面特性が大幅に改善される。このようにして形成されたシリコン基板上のAl23 膜を高真空中、本実施例1では、1〜2×10-4Paの真空中で約550℃、約3分加熟し、ポストアニールを施した。 By repeating these steps, an Al 2 O 3 film having a thickness of 4.5 nm was deposited to form the charge barrier layer 52. ECR plasma irradiation is considered to have an effect of reducing defects due to insufficient oxidation during film deposition at the Al 2 O 3 film and at the Al 2 O 3 / Si interface, and has been confirmed to have an effect of improving MOS characteristics. Application No. 2001-270029). Even if the ECR plasma irradiation is applied to the first 1.5 nm Al 2 O 3 film, the MIS interface characteristics are greatly improved. The Al 2 O 3 film on the silicon substrate thus formed is aged in a high vacuum, in this example 1, in a vacuum of 1 to 2 × 10 −4 Pa at about 550 ° C. for about 3 minutes. Annealed.

次に、ECRスパッタのガスをArとN2 に切り替え、AlターゲットにてAlN膜を6〜12nm堆積し、電荷移動層53を形成した。AlN膜の堆積条件は、
Ar流量:20sccm、N2流量:6sccm、マイクロ波電力:500W、高周波電力:500W、基板加熱せず。
である。その上にAlを真空蒸着で堆積してゲート電極を形成した。シリコンウェハの裏面にもAlを真空蒸着し、裏面電極を形成した。
Next, the gas for ECR sputtering was switched between Ar and N 2 , and an AlN film was deposited in an amount of 6 to 12 nm with an Al target to form a charge transfer layer 53. The AlN film deposition conditions are as follows:
Ar flow rate: 20 sccm, N 2 flow rate: 6 sccm, microwave power: 500 W, high frequency power: 500 W, no substrate heating.
It is. On top of that, Al was deposited by vacuum evaporation to form a gate electrode. Al was vacuum-deposited on the back surface of the silicon wafer to form a back electrode.

以上のようにして作成したMISダイオードの電気特性を高周波C−V測定によつて評価した。その特性を図4に示す。図4において縦軸は1MHzの微小交流で測定した容量(pF)であり、横軸は直流バイアス電圧(V)である。この測定では、直流バイアスを+2Vを起点として−3Vまで掃引し、引き続き、−3Vから+2Vまで折り返している。バイアスの掃引速度は0.5V/sである。測定された容量は、最初のバイアス掃引時よりも折り返し時の方が大きく、大きなヒステリシスが生じた。最大容量の半分の容量におけるヒステリシス幅は、約0.6Vであった。   The electrical characteristics of the MIS diode produced as described above were evaluated by high-frequency CV measurement. The characteristics are shown in FIG. In FIG. 4, the vertical axis represents the capacitance (pF) measured with a minute alternating current of 1 MHz, and the horizontal axis represents the DC bias voltage (V). In this measurement, the DC bias is swept from −2V to −3V, and subsequently turned back from −3V to + 2V. The bias sweep rate is 0.5 V / s. The measured capacitance was larger at the turnback than at the first bias sweep, resulting in a large hysteresis. The hysteresis width in the half capacity of the maximum capacity was about 0.6V.

このようなバイアスの往復掃引で生ずるヒステリシスには2種類がある。すなわち、バイアス掃引の往路の容量の方が復路の容量よりも大きい場合(トラップ型)とその逆の場合(ドリフト型)である。トラップ型のヒステリシスは、電荷が絶縁膜中にトラップされることによって生ずる。一方、ドリフト型はトラップされた電荷が絶縁膜中を移動することによって生ずる。   There are two types of hysteresis caused by such a reciprocal sweep of bias. That is, the case where the capacity of the forward path of the bias sweep is larger than the capacity of the return path (trap type) and vice versa (drift type). The trap type hysteresis is generated by trapping charges in the insulating film. On the other hand, the drift type is caused by the trapped charge moving in the insulating film.

以下、ヒステリシスの原因をより詳細に説明する。ヒステリシスは、同種電荷の反発と異種電荷の吸引という単純な電磁気法則と半導体の3つの状態(蓄積、空乏、反転)によって理解できる。まず、p型半導体を用いた場合のトラップ型のヒステリシスについて説明する。最初にゲート電極に大きなプラスバイアスが印加されるとp型半導体には反転層が生じ、絶縁膜/半導体界面に少数キャリアである電子が誘起される。反転層の下には空乏層ができている。この反転層の電子は強い電界によって絶縁膜中に注入され、欠陥が作る局在準位等に捕足される。バイアス電圧がマイナス側に進むに従い、半導体は反転の状態から空乏の状態をとり、さらに蓄積の状態に移り、多数キャリアであるホールが誘起され、半導体全体はp型伝導の導通状態になる。   Hereinafter, the cause of hysteresis will be described in more detail. Hysteresis can be understood by a simple electromagnetic law of repulsion of similar charges and attraction of different charges and three states of semiconductors (accumulation, depletion, and inversion). First, the trap type hysteresis when a p-type semiconductor is used will be described. When a large positive bias is first applied to the gate electrode, an inversion layer is generated in the p-type semiconductor, and electrons which are minority carriers are induced at the insulating film / semiconductor interface. A depletion layer is formed under the inversion layer. The electrons in the inversion layer are injected into the insulating film by a strong electric field, and are captured by the localized levels created by the defects. As the bias voltage advances to the minus side, the semiconductor takes a depletion state from an inversion state, further moves to an accumulation state, induces holes that are majority carriers, and the entire semiconductor enters a p-type conduction conduction state.

反転や空乏の状態では、全体の容量は絶縁膜の容量と空乏層の容量の直列接続の容量となるため、空乏層の小さな容量に支配された小さな容量になっているが、蓄積の状態では半導体は導電体になるため全体の容量には絶縁膜本来の大きな容量が現れる。このとき絶縁膜中に電子がトラップされていると、電子とホールの吸引力により、よりプラス側のバイアスで半導体中にホールを誘起することになる。バイアスがマイナスの最大値に近付くと、絶縁膜中にトラップされていた電子は強い電界によってその一部が絶縁膜から半導体に抜け、また、半導体に誘起されているホールが強い電界によって絶縁膜中に注入され、その一部は電子を中和する。そのため、バイアス掃引の復路において、ホールとホールの反発により、よりマイナス側のバイアス電圧で蓄積状態から空乏の状態に移ることになり、このためトラップ型のヒステリシスが現れる。   In the inversion or depletion state, the total capacitance is the capacitance of the serial connection of the insulating film capacitance and the depletion layer capacitance, so it is a small capacitance governed by the small capacitance of the depletion layer, but in the accumulation state Since the semiconductor becomes a conductor, the large capacitance inherent in the insulating film appears in the entire capacitance. At this time, if electrons are trapped in the insulating film, holes are induced in the semiconductor with a bias on the positive side due to the attractive force of the electrons and holes. When the bias approaches the negative maximum value, some of the electrons trapped in the insulating film escape from the insulating film to the semiconductor by a strong electric field, and holes induced in the semiconductor enter the insulating film by a strong electric field. And some of them neutralize the electrons. Therefore, in the return path of the bias sweep, due to the repulsion of the holes, the accumulation state is shifted to the depletion state with a more negative bias voltage, and thus trap-type hysteresis appears.

次に、ゲート電極にプラスの電圧を印加したとき、ゲート電極からホールが電荷移動層に注入される場合を考える。電荷移動層にホールが蓄積すると、ヒステリシスは上記の場合と逆極性になり、ドリフト型と同じ向きのヒステリシスが現れる。実施例1の記憶素子は、ゲート電極と電荷移動層との間に電荷障壁層を設けていないので、このタイプの電荷注入が生じ易いと考えられる。しかし、本発明の記憶素子が、単なる電荷トラップ型の特性で動作するのではないことは、後述の実験結果によって明らかにされる。   Next, consider a case where holes are injected from the gate electrode into the charge transfer layer when a positive voltage is applied to the gate electrode. When holes accumulate in the charge transfer layer, the hysteresis has the opposite polarity to the above case, and the hysteresis in the same direction as the drift type appears. In the memory element of Example 1, since no charge barrier layer is provided between the gate electrode and the charge transfer layer, this type of charge injection is likely to occur. However, the fact that the memory element of the present invention does not operate with mere charge trapping characteristics will be clarified by experimental results to be described later.

次に、p型半導体を用いた場合のドリフト型ヒステリシスについて説明する。バイアス掃引の過程で、絶縁膜中に注入された電荷が電界によって移動すると、ヒステリシスの向きは逆転する。まず、バイアス掃引の往路(プラスのバイアス)においては、絶縁膜に注入された電子は電界に引かれて絶縁膜中を電極側に移動する。移動した電子の一部は電極に抜けるものと考えられる。このとき、絶縁膜の半導体側にはゲート電極からホールの一部が注入・移動してきて半導体中の反転層の電子とバランスするため反対電荷のホールが誘起されることになると考えられる。ゲート電極側では、ゲート電極のプラス電圧にバランスする形でマイナス電荷がより多く蓄積されるものと考えられる。この状態を空乏から蓄積に移るときまで保持すると、ホールとホールの反発により、空乏から蓄積に移るバイアス電圧をマイナス側にシフトすることになる。   Next, drift type hysteresis when a p-type semiconductor is used will be described. When the charge injected into the insulating film is moved by the electric field during the bias sweep process, the direction of hysteresis is reversed. First, in the forward path of the bias sweep (positive bias), electrons injected into the insulating film are attracted by an electric field and move in the insulating film to the electrode side. It is considered that some of the moved electrons escape to the electrode. At this time, it is considered that a hole of a reverse charge is induced on the semiconductor side of the insulating film because a part of the hole is injected and moved from the gate electrode and balances with electrons of the inversion layer in the semiconductor. On the gate electrode side, it is considered that more negative charges are accumulated in a form balanced with the positive voltage of the gate electrode. If this state is maintained until the transition from depletion to accumulation, the bias voltage from depletion to accumulation is shifted to the minus side due to repulsion of holes.

バイアス掃引の復路においては、ゲート電極の負電位によって、半導体側に負電荷が蓄積される。この状態が半導体の蓄積から空乏に移るときまで保持されると、電子とホールの吸引により蓄積から空乏に移るバイアス電圧をプラス側にシフトすることになる。このような電荷の動きによってトラップ型とは反対向きのヒステリシスが生ずることになる。本発明の記憶素子は、このドリフト型ヒステリシスを利用する。図4のC−V特性は、このドリフト型ヒステリシスが生じていることを示している。   In the return path of the bias sweep, negative charges are accumulated on the semiconductor side due to the negative potential of the gate electrode. If this state is maintained until the time from the semiconductor accumulation to the depletion, the bias voltage from the accumulation to the depletion is shifted to the plus side due to the suction of electrons and holes. Such movement of the charge causes hysteresis in the direction opposite to the trap type. The memory element of the present invention utilizes this drift type hysteresis. The CV characteristic of FIG. 4 shows that this drift type hysteresis occurs.

大きなドリフト型ヒステリシスを得るためには電荷障壁層52と電荷移動層53の膜厚の関係が重要である。電荷障壁層52に対して電荷移動層53を厚くした方が大きなヒステリシス幅が得られることは、電荷間の反発・吸引力とゲート電極54に印加した電圧による電界の半導体中キャリアヘの影響を考えると理解できる。ゲート電極54からの電界が小さく、絶縁膜/半導体の電荷間の距離が短いほど、絶縁膜中電荷の影響が大きくなるからである。本実験例1では電荷移動層53として、6nmと12nmのAlN膜を用いたが、同じ最大バイアス電圧に対して、予想通り、12nmの方でより大きなヒステリシスが得られている。このことは、半導体表面付近の電荷とは反対極性の電荷が、電荷移動層53の半導体側に蓄積されたことの証拠であり、単なる電荷トラップ型とは異なることがわかる。   In order to obtain a large drift type hysteresis, the relationship between the film thicknesses of the charge barrier layer 52 and the charge transfer layer 53 is important. The larger hysteresis width is obtained when the charge transfer layer 53 is thicker than the charge barrier layer 52. The influence of the electric field repulsion / attraction force and the voltage applied to the gate electrode 54 on the carriers in the semiconductor is considered. I can understand. This is because the smaller the electric field from the gate electrode 54 and the shorter the distance between charges in the insulating film / semiconductor, the greater the influence of charges in the insulating film. In this experimental example 1, AlN films of 6 nm and 12 nm were used as the charge transfer layer 53. However, for the same maximum bias voltage, larger hysteresis was obtained at 12 nm as expected. This is evidence that charges having the opposite polarity to the charges in the vicinity of the semiconductor surface are accumulated on the semiconductor side of the charge transfer layer 53, and it can be seen that this is different from a simple charge trap type.

ドリフト型ヒステリシスは、ゲート電極からの電荷注入、電荷保持、および電荷の移動によって生じているが、バイアスの掃引を0.2V/s程度に遅くしたところヒステリシス幅は小さくなった。このことは、電荷の保持が数秒〜数10秒のオーダーであることを示している。この電荷保持時間は、記憶情報保持のためにリフレッシュを行うDRAMにとって充分な時間である。   Drift-type hysteresis is caused by charge injection from the gate electrode, charge retention, and charge transfer. However, when the bias sweep was delayed to about 0.2 V / s, the hysteresis width was reduced. This indicates that the charge retention is on the order of several seconds to several tens of seconds. This charge retention time is sufficient for a DRAM that performs refresh to retain stored information.

次に、電荷障壁層52と電荷移動層53が持つべき特性について説明する。電荷障壁層52は半導体層51と接触しており、MIS型トランジスタの特性を損なわないことが必要である。使用できる代表的な膜は、800℃以上の温度での熱酸化法で形成したSiO2 膜であるが、最近、盛んに研究開発が進められているHigh-k ゲート絶縁膜も可能性がある。 Next, characteristics that the charge barrier layer 52 and the charge transfer layer 53 should have will be described. The charge barrier layer 52 is in contact with the semiconductor layer 51, and it is necessary not to impair the characteristics of the MIS transistor. A typical film that can be used is a SiO 2 film formed by a thermal oxidation method at a temperature of 800 ° C. or higher, but a high-k gate insulating film that has been actively researched and developed recently is also possible. .

本実験例1ではECRスパッタ法で堆積した欠陥の少ないA123 膜を用いた。欠陥密度をさらに低減するためにAr/O2 ガスのECRプラズマを照射した。さらに、酸素ガスや水分を除いた窒素ガスや水素ガス雰囲気中または高真空中で400℃程度で熱処理を行うことによって欠陥を低減することができる。この低温熱処理により、1MHzのC−V測定では現れず、1kHz程度の低周波のC−V測定で現れる、いわゆる、遅いトラップの密度を低減できる。このようにして形成したAl23 膜膜は、本発明の電荷移動型記憶素子の電荷障壁層として用いることが可能と考えられる。 In this Experimental Example 1, an A1 2 O 3 film with few defects deposited by ECR sputtering was used. In order to further reduce the defect density, Ar / O 2 gas ECR plasma was irradiated. Further, defects can be reduced by performing heat treatment at about 400 ° C. in an atmosphere of nitrogen gas or hydrogen gas excluding oxygen gas and moisture or in a high vacuum. This low-temperature heat treatment can reduce the density of so-called slow traps that do not appear in CV measurement at 1 MHz but appear in CV measurement at a low frequency of about 1 kHz. It is considered that the Al 2 O 3 film thus formed can be used as a charge barrier layer of the charge transfer memory element of the present invention.

<実験例2>
シリコン基板に接する電荷障壁層52として、ECRプラズマでシリコン基板を酸化して形成したSiO2 膜の使用を提案することができる。以下、その形成方法について述べる。p型、(100)面方位、1〜2Ωcmのシリコン基板をH2SO4/H22 混合液と希フッ酸を用いて洗浄し、シリコン基板表面を水素終端により疎水性にした。その基板をECRプラズマ照射装置(本実験2ではECRプラズマスパッタ装置を代用)に装填し、基板加熱を行わず、ArとO2 ガスのECRプラズマを照射した。ECRプラズマ照射は以下の条件で行った。
Ar流量:20sccm、O2 流量:8sccm、マイクロ波電力:500W。
この処理によりシリコン基板表面にSiO2 膜が成長する。図5にエリプソメータで測定したSiO2 膜の厚さとECRプラズマ照射時間との関係を示す。成長したSiO2 膜の厚さは照射時間に対して累乗の関係になった。
<Experimental example 2>
As the charge barrier layer 52 in contact with the silicon substrate, use of a SiO 2 film formed by oxidizing the silicon substrate with ECR plasma can be proposed. Hereinafter, the formation method will be described. A silicon substrate having a p-type, (100) plane orientation, and 1 to 2 Ωcm was washed with an H 2 SO 4 / H 2 O 2 mixed solution and dilute hydrofluoric acid to make the silicon substrate surface hydrophobic by hydrogen termination. The substrate was loaded into an ECR plasma irradiation apparatus (in this experiment 2, an ECR plasma sputtering apparatus was used instead), and the substrate was not heated and irradiated with ECR plasma of Ar and O 2 gas. ECR plasma irradiation was performed under the following conditions.
Ar flow rate: 20 sccm, O 2 flow rate: 8 sccm, microwave power: 500 W.
By this treatment, a SiO 2 film grows on the silicon substrate surface. FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the SiO 2 film measured with an ellipsometer and the ECR plasma irradiation time. The thickness of the grown SiO 2 film has a power relationship with the irradiation time.

次に、このようにして形成されたシリコン基板上のSiO2 膜を高真空中、1〜2×10-4Paで400〜800℃で約3分加熱し、ポストアニールを施した。次に、その上にAlを真空蒸着で堆積してゲート電極を形成した。Siウェハの裏面にもAlを真空蒸着し、裏面電極を形成した。 Next, the SiO 2 film on the silicon substrate thus formed was heated at 400 ° C. to 800 ° C. for about 3 minutes at 1-2 × 10 −4 Pa in high vacuum, and post-annealed. Next, Al was deposited thereon by vacuum evaporation to form a gate electrode. Al was also vacuum deposited on the back surface of the Si wafer to form a back electrode.

以上のようにして作成したMISダイオードの電気特性を高周波C−V測定によつて評価した。ECRプラズマ酸化を30分間行った試料のC−V特性を図6に示す。図6において、縦軸は1MHzの微小交流で測定した容量(F/cm2)であり、横軸は+1、−3、+1Vの順に往復掃引した直流バイアス電圧(V)である。図中のいずれのポストアニール条件においてもヒステリシスの幅は70mV以下であり、特に、600℃のポストアニールを施したものは25mV以下となり、トラップの少ない良好なMISダイオード特性を示した。C−Vカーブが示すフラットバンド電位(本条件ではカーブの立ち上がり付近)は、予想値の約0.8〜0.9V付近にあり、SiO2 膜中の固定電荷も少ないことがわかった。したがって、ECRプラズマ酸化法は良好な電荷障壁層を提供できることがわかった。ECRスパッタ装置を用いて、プラズマ酸化法でSiO2 膜を形成すると、真空を破らずに、そのまま電荷移動層をECRスパッタ法で堆積できるというメリットもある。 The electrical characteristics of the MIS diode produced as described above were evaluated by high-frequency CV measurement. FIG. 6 shows CV characteristics of a sample subjected to ECR plasma oxidation for 30 minutes. In FIG. 6, the vertical axis represents the capacitance (F / cm 2 ) measured with 1 MHz minute alternating current, and the horizontal axis represents the DC bias voltage (V) swept in the order of +1, −3, and +1 V. Under any of the post-annealing conditions in the figure, the hysteresis width was 70 mV or less, and in particular, those subjected to post-annealing at 600 ° C. were 25 mV or less, indicating good MIS diode characteristics with few traps. It was found that the flat band potential indicated by the CV curve (in the vicinity of the rise of the curve in this condition) is in the vicinity of the expected value of about 0.8 to 0.9 V, and the fixed charge in the SiO 2 film is also small. Therefore, it has been found that the ECR plasma oxidation method can provide a good charge barrier layer. When an SiO 2 film is formed by plasma oxidation using an ECR sputtering apparatus, there is also an advantage that the charge transfer layer can be deposited as it is by ECR sputtering without breaking the vacuum.

実施例2の記憶素子の概略断面図を図7に示す。図7において、図1と同じ部位には同じ番号を付し、説明を省略する。実施例2は、実施例1の電荷障壁層2を取り除いた形になっている。実施例2における電荷障壁層7は、良好なMIS特性を確保する必要のあることから、欠陥密度の少ない絶縁膜が適する。   A schematic cross-sectional view of the memory element of Example 2 is shown in FIG. In FIG. 7, the same parts as those in FIG. In Example 2, the charge barrier layer 2 of Example 1 is removed. As the charge barrier layer 7 in Example 2, it is necessary to ensure good MIS characteristics, and therefore an insulating film with a low defect density is suitable.

ゲート電極4に電圧を印加すると、実施例1で説明したように電荷移動層7中の電荷が移動し、トランジスタの閾値を変化させる。本実施例2では、そのとき同時に、トンネル効果によって半導体層1またはゲート電極4から電荷移動層7中に電荷が注入され、トラップされることになる。注入された電荷の一部は、電荷移動層7中を移動してきた電荷と会合し、消滅する。このトラップ電荷によるMIS型トランジスタの閾値の移動方向と電荷移動による移動方向とは逆になるので、電荷移動の効果の方を勝るようにすれば、電荷移動による記憶素子ができる。そのような素子は、弱電界時のトンネル効果で移動できる電荷の距離(およそ3nm以下)と比較して電荷移動層7の厚さが充分に厚い場合である。電荷移動による充分な閾値の変化を得るためには、電荷移動層7は15nm以上の厚さが必要と考えられる。電荷移動層7を厚くするとトランジスタを駆動するためのゲート電圧は大きくしなければならない。したがって、デバイスの要求条件を満足する最小の厚さに抑えることが望ましい。   When a voltage is applied to the gate electrode 4, the charge in the charge transfer layer 7 moves as described in Embodiment 1, and the threshold value of the transistor is changed. In the second embodiment, at the same time, charges are injected from the semiconductor layer 1 or the gate electrode 4 into the charge transfer layer 7 by the tunnel effect and trapped. A part of the injected charge is associated with the charge moving through the charge transfer layer 7 and disappears. Since the moving direction of the threshold of the MIS transistor due to the trapped charge is opposite to the moving direction due to the charge movement, a storage element by charge movement can be obtained if the effect of the charge movement is better. Such an element is a case where the thickness of the charge transfer layer 7 is sufficiently thick compared to the distance of charge (approximately 3 nm or less) that can be moved by the tunnel effect in a weak electric field. In order to obtain a sufficient change in threshold value due to charge transfer, the charge transfer layer 7 is considered to have a thickness of 15 nm or more. When the charge transfer layer 7 is thickened, the gate voltage for driving the transistor must be increased. It is therefore desirable to keep the thickness to a minimum that satisfies the device requirements.

この実施例2の記憶素子は、極めて単純な構成であるため、素子の製造コストダウンに有望な素子構造である。電荷移動層7には、Si化合物のSiOx 膜(0<x<2)、SiN膜、およびSiOxy 膜、Al化合物のAlOx 膜(0<x<1.5)、AlN膜、およびAlOxy 膜、Hf化合物のHfOx 膜(0<x<2)、HfN膜、およびHfOxy 膜などが適する。これらの膜の形成方法は後述する。 Since the memory element of Example 2 has a very simple configuration, it has a promising element structure for reducing the manufacturing cost of the element. The charge transfer layer 7 includes a Si compound SiO x film (0 <x <2), a SiN film, and a SiO x N y film, an Al compound AlO x film (0 <x <1.5), an AlN film, And AlO x N y film, HfO x film of Hf compound (0 <x <2), HfN film, and HfO x N y film are suitable. A method for forming these films will be described later.

実施例3の記憶素子の概略断面図を図8に示す。図8において、図1と同じ部位には同じ番号を付し、説明を省略する。実施例3は、電荷移動層8とゲート電極4との間に電荷障壁層9を設けたものである。電荷障壁層9はゲート電極4からの電荷注入を抑制し、電荷の注入が主に半導体層1から起こるようにする。電荷移動層8の厚さと欠陥密度を適度に選ぶことにより、半導体層1の電荷とは反対極性の電荷を電荷移動層5の半導体層側に蓄積することができる。電荷障壁層9には実施例1の電荷障壁層2に用いた材料と同じ材料が適する。EOTを小さくするほどトランジスタのゲート電圧を低くできることは上記の例と同じである。   A schematic cross-sectional view of the memory element of Example 3 is shown in FIG. In FIG. 8, the same parts as those in FIG. In the third embodiment, a charge barrier layer 9 is provided between the charge transfer layer 8 and the gate electrode 4. The charge barrier layer 9 suppresses charge injection from the gate electrode 4 so that charge injection mainly occurs from the semiconductor layer 1. By appropriately selecting the thickness and defect density of the charge transfer layer 8, charges having the opposite polarity to the charge of the semiconductor layer 1 can be accumulated on the semiconductor layer side of the charge transfer layer 5. The same material as that used for the charge barrier layer 2 of Example 1 is suitable for the charge barrier layer 9. As in the above example, the gate voltage of the transistor can be lowered as EOT is reduced.

実施例4の記憶素子の概略断面図を図9に示す。図9において、図1と同じ部位には同じ番号を付し、説明を省略する。実施例4は、半導体層1と電荷移動層10との間に第1の電荷障壁層11を、また、電荷移動層10とゲート電極4との間に第2の電荷障壁層12を設けたものである。電荷障壁層11と12は、トンネルによる電荷移動層10中への電荷の注入を抑制するものである。電荷障壁層11と12は、電荷を電荷移動層10中に完全に閉じ込めるほど厚くするのは好ましくない。そのようにすると、電荷トラップ型特性が出てしまい、期待するドリフト型特性が得られなくなる。また、長期的には電荷移動層10中の総電荷の増減が生じ、閾値が変化してしまう。電荷障壁層11と12は、同じ材料の場合、そのどちらか、または、両方を薄くすることにより、電荷移動層10中の電荷の一部が抜けるようにする。それにより、閾値の長期的変化が防止できる。異なる材料を用いる場合にも電荷の引き抜きを考慮する。EOTを小さくするほどトランジスタのゲート電圧を低くできることは上記の例と同じである。   A schematic cross-sectional view of the memory element of Example 4 is shown in FIG. In FIG. 9, the same parts as those in FIG. In Example 4, the first charge barrier layer 11 was provided between the semiconductor layer 1 and the charge transfer layer 10, and the second charge barrier layer 12 was provided between the charge transfer layer 10 and the gate electrode 4. Is. The charge barrier layers 11 and 12 suppress the injection of charges into the charge transfer layer 10 due to the tunnel. It is not preferred that the charge barrier layers 11 and 12 be thick enough to completely confine the charge in the charge transfer layer 10. In such a case, charge trapping characteristics appear, and the expected drift characteristics cannot be obtained. Further, in the long term, the total charge in the charge transfer layer 10 increases or decreases, and the threshold value changes. When the charge barrier layers 11 and 12 are made of the same material, one or both of them are thinned so that a part of the charge in the charge transfer layer 10 is released. Thereby, the long-term change of the threshold can be prevented. Even when different materials are used, charge extraction is considered. As in the above example, the gate voltage of the transistor can be lowered as EOT is reduced.

実施例5の記憶素子の概略断面図を図10に示す。図10において、図1と同じ部位には同じ番号を付し、説明を省略する。実施例5は、電荷保持層13と電荷障壁層14との積層膜からなる電荷移動層15を有する。電荷保持層13の欠陥密度を電荷障壁層14のそれよりも多くすることで電荷保持層13により多くの電荷をトラップする。電荷保持層13に金属の窒化物を用い、電荷障壁層14に金属の酸化物を用いてもよい。あるいは、電荷保持層13と電荷障壁層14は金属の酸窒化物としその酸素と窒素の含有量を変化させてもよい。すなわち、電荷保持層13は窒素含有量を多くし、電荷障壁層14は酸素含有量を多くする。この実施例5では電荷保持層13の欠陥密度を他の実施例の電荷移動層のそれよりも大きくすることができる。電荷移動の障壁は、電荷障壁層14の材料と厚さに依存する。電荷障壁層14を薄くして電荷移動の障壁を低くすることで低電圧で動作する記憶素子が得られる。電荷障壁層14のうち半導体層1またはゲート電極4と接する層の厚さを適度に調整することにより、トンネルによる電荷注入を抑制できる。なお、実施例1〜4の電荷移動層3,7,8,10を、この実施例5の電荷移動層15に置き換えることもできる。   A schematic cross-sectional view of a memory element of Example 5 is shown in FIG. 10, parts that are the same as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted. Example 5 has a charge transfer layer 15 made of a laminated film of a charge retention layer 13 and a charge barrier layer 14. By making the defect density of the charge retention layer 13 higher than that of the charge barrier layer 14, more charges are trapped in the charge retention layer 13. A metal nitride may be used for the charge retention layer 13, and a metal oxide may be used for the charge barrier layer 14. Alternatively, the charge retention layer 13 and the charge barrier layer 14 may be metal oxynitrides, and the contents of oxygen and nitrogen may be changed. That is, the charge retention layer 13 increases the nitrogen content, and the charge barrier layer 14 increases the oxygen content. In Example 5, the defect density of the charge retention layer 13 can be made larger than that of the charge transfer layer of the other examples. The charge transfer barrier depends on the material and thickness of the charge barrier layer 14. A memory element that operates at a low voltage can be obtained by thinning the charge barrier layer 14 to lower the charge transfer barrier. By appropriately adjusting the thickness of the layer in contact with the semiconductor layer 1 or the gate electrode 4 in the charge barrier layer 14, charge injection due to the tunnel can be suppressed. It should be noted that the charge transfer layers 3, 7, 8, and 10 of the first to fourth embodiments can be replaced with the charge transfer layer 15 of the fifth embodiment.

実施例6の記憶素子の概略断面図を図11に示す。図11において、図1と同じ部位には同じ番号を付し、説明を省略する。実施例6は、微小導電体16が絶縁体17の中に存在する電荷移動層18を有する。微小導電体16にトラップされた電荷を電界によって半導体層1側またはゲート電極4側に移動させる。電荷は、電子の場合、微小導電体16の伝導帯(固まりが微小なため、帯の準位は連続的ではないが)にトラップされることになる。微小導電体16相互間の絶縁体17が電荷移動の障壁となるため、微小導電体16相互間の距離と絶縁体17の電気特性が障壁の大きさを決めることになる。微小導電体16相互間の距離を数nm以下の距離にすると、微小導電体16の伝導帯の電子の波動関数は互いにオーバーラップすることになり、トンネルによって移動できる状態になる。したがって、微小導電体16にトラップされている電荷は、電界によって微小導電体16相互間を比較的容易に移動できる。この実施例における微小導電体16は、上記の実施例における欠陥に対応する。それらの違いは、欠陥よりも多くの電荷を1つの微小導電体16に蓄えることが可能になる点である。微小導電体16の形成方法については後述する。なお、実施例1〜4の電荷移動層3,7,8,10を、この実施例6の電荷移動層18に置き換えることもできる。   A schematic cross-sectional view of the memory element of Example 6 is shown in FIG. In FIG. 11, the same parts as those in FIG. Example 6 has a charge transfer layer 18 in which a microconductor 16 is present in an insulator 17. The electric charges trapped in the microconductor 16 are moved to the semiconductor layer 1 side or the gate electrode 4 side by an electric field. In the case of electrons, charges are trapped in the conduction band of the microconductor 16 (although the mass of the microconductor is so small that the band levels are not continuous). Since the insulator 17 between the microconductors 16 serves as a barrier for charge transfer, the distance between the microconductors 16 and the electrical characteristics of the insulator 17 determine the size of the barrier. When the distance between the minute conductors 16 is set to a distance of several nanometers or less, the wave functions of electrons in the conduction band of the minute conductors 16 overlap each other, and the state can be moved by the tunnel. Accordingly, the charges trapped in the microconductors 16 can move between the microconductors 16 relatively easily by the electric field. The microconductor 16 in this embodiment corresponds to the defect in the above embodiment. The difference between them is that more charges than defects can be stored in one microconductor 16. A method for forming the minute conductor 16 will be described later. It should be noted that the charge transfer layers 3, 7, 8, and 10 of the first to fourth embodiments can be replaced with the charge transfer layer 18 of the sixth embodiment.

実施例7の記憶素子の概略断面図を図12に示す。図12において、図1と同じ部位には同じ番号を付し、説明を省略する。実施例7は、微小導電体19が絶縁体20の中に層状に複数層にわたって存在する電荷移動層21を有する。すなわち、この電荷移動層21は、絶縁体からなる第1の層と微小導電体19それぞれが相互に離れた形で絶縁体内に設けられた第2の層とを交互に積層した構造を有する。微小導電体19にトラップされた電荷を電界によって半導体層1側またはゲート電極4側に移動させることは実施例6と同じである。実施例6では微小導電体16が絶縁体17中にランダムに分布させるのに対し実施例7の微小導電体19は層状に形成する。微小導電体19を層状に形成する方法については後述する。なお、実施例1〜4の電荷移動層3,7,8,10を、この実施例7の電荷移動層21に置き換えることもできる。   A schematic cross-sectional view of the memory element of Example 7 is shown in FIG. In FIG. 12, the same parts as those in FIG. Example 7 has the charge transfer layer 21 in which the microconductor 19 exists in the insulator 20 in a layered manner over a plurality of layers. That is, the charge transfer layer 21 has a structure in which first layers made of an insulator and second layers provided in the insulator are alternately stacked in such a manner that the microconductors 19 are separated from each other. Similar to the sixth embodiment, the electric charges trapped in the minute conductor 19 are moved to the semiconductor layer 1 side or the gate electrode 4 side by an electric field. In the sixth embodiment, the microconductors 16 are randomly distributed in the insulator 17, whereas the microconductor 19 of the seventh embodiment is formed in a layered form. A method for forming the minute conductor 19 in a layered manner will be described later. In addition, the charge transfer layers 3, 7, 8, and 10 in the first to fourth embodiments can be replaced with the charge transfer layer 21 in the seventh embodiment.

実施例8では金属酸化物からなる電荷移動層の形成方法を示す。本実施例8では、ECRスパッタ法を用い、化学量論的組成のずれた金属酸化物を形成する。金属元素としては、Al、Si、Ti、Y、Zr、La系列、Hf、およびTaが適する。これらの金属のターゲットを用い、ArとO2 ガスを用いてECRスパッタ法のメタルモードで金属酸化物を堆積することにより電荷移動層を形成することができる。一例としてターゲットにAlを用いたときのAlOx 膜の成膜特性を図13に示す。図13において、横軸はO2 流量(sccm)、左縦軸は堆積速度(nm/min)、右縦軸は屈折率である。成膜条件は、以下の通りである。
Ar流量:20sccm、マイクロ波(2.45GHz)電力:500W、高周波(13.56MHz)電力:500W、基板加熱せず。
図13において、O2 流量が少なく、堆積速度が大きい領域であって屈折率があまり変化していない領域をメタルモード領域、O2 流量がさらに少なく屈折率が大きく変化している領域を、ここでは便宜上、強メタルモード領域、O2 流量が大きい領域であって堆積速度が小さい領域をオキサイドモードの領域と呼ぶ。メタルモード領域は、ターゲット表面があまり酸化されないため、スパッタ率が大きい。O2 流量を多くすると、ターゲット表面が酸化され、A123 のスパッタ率に近くなるため堆積速度が大きく低下する。一般に金属の酸化物のスパッタ率は金属のスパッタ率よりも小さい傾向があるので、硬くて安定な酸化物を形成する金属をターゲットにすると、ECRスパッタ法では図13と類似の成膜特性が得られる。実際にAl、Si、Ti、Zr、Hf、およびTaで確認されている。
Example 8 shows a method for forming a charge transfer layer made of a metal oxide. In Example 8, a metal oxide having a stoichiometric composition is formed using ECR sputtering. As the metal element, Al, Si, Ti, Y, Zr, La series, Hf, and Ta are suitable. By using these metal targets and depositing a metal oxide in a metal mode of ECR sputtering using Ar and O 2 gas, a charge transfer layer can be formed. As an example, the film formation characteristics of an AlO x film when Al is used as a target are shown in FIG. In FIG. 13, the horizontal axis represents the O 2 flow rate (sccm), the left vertical axis represents the deposition rate (nm / min), and the right vertical axis represents the refractive index. The film forming conditions are as follows.
Ar flow rate: 20 sccm, microwave (2.45 GHz) power: 500 W, high frequency (13.56 MHz) power: 500 W, no substrate heating.
In FIG. 13, the region where the O 2 flow rate is low and the deposition rate is high and the refractive index does not change so much is the metal mode region, and the region where the O 2 flow rate is further reduced and the refractive index is greatly changed For convenience, the strong metal mode region and the region having a large O 2 flow rate and a low deposition rate are referred to as an oxide mode region. The metal mode region has a high sputtering rate because the target surface is not oxidized much. When the O 2 flow rate is increased, the target surface is oxidized and approaches the sputtering rate of A1 2 O 3 , so that the deposition rate is greatly reduced. In general, the sputtering rate of a metal oxide tends to be smaller than the sputtering rate of a metal. Therefore, when a metal that forms a hard and stable oxide is used as a target, the film formation characteristics similar to those in FIG. It is done. Actually, Al, Si, Ti, Zr, Hf, and Ta are confirmed.

ECRスパッタ法の場合、メタルモードの領域で成膜した膜は、基板表面に照射される酸素のECRプラズマによって酸化されるため、エリプソメータで測定した屈折率がオキサイドモードのそれとほとんど同じ値を示す。これは、メタルモードでも良質な金属酸化物を成膜できることを示している。しかしながら、O2 流量をさらに少なくして強メタルモードにすると、屈折率が顕著に大きくなり、膜質に大きな変化が現れる。その領域で成膜した膜は、酸素不足(メタルリッチ)になっていると考えられる。したがって、その膜中には多くの欠陥を有する。図13は、その欠陥の密度をO2 流量を変化させることで制御できることを示している。このようにして化学量論的組成のずれた金属酸化物による電荷移動層を形成することができる。 In the case of the ECR sputtering method, since the film formed in the metal mode region is oxidized by the ECR plasma of oxygen irradiated on the substrate surface, the refractive index measured by an ellipsometer shows almost the same value as that of the oxide mode. This indicates that a high-quality metal oxide film can be formed even in the metal mode. However, when the O 2 flow rate is further reduced to the strong metal mode, the refractive index is remarkably increased and a large change in the film quality appears. The film deposited in that region is considered to be oxygen deficient (metal rich). Therefore, there are many defects in the film. FIG. 13 shows that the density of the defects can be controlled by changing the O 2 flow rate. In this manner, a charge transfer layer made of a metal oxide having a stoichiometric composition can be formed.

上記、第2〜実施例5(図7〜図10)における電荷障壁層、電荷保持層、および電荷移動層を金属酸化物の化学量論的組成の違いによって形成するには、電荷障壁層に屈折率がオキサイドモードのそれとほぼ同じメタルモード領域の膜を適用し、電荷保持層、または、電荷移動層に屈折率が変化する強メタルモード領域の膜を適用すれば良い。   In order to form the charge barrier layer, the charge retention layer, and the charge transfer layer in the second to fifth embodiments (FIGS. 7 to 10) according to the difference in the stoichiometric composition of the metal oxide, A metal mode region film whose refractive index is almost the same as that of the oxide mode may be applied, and a strong metal mode region film whose refractive index changes may be applied to the charge retention layer or the charge transfer layer.

実施例9では金属窒化物からなる電荷移動層の形成方法を示す。本実施例9では、ECRスパッタ法を用い、金属ターゲット、Ar、およびN2 ガスを用いて金属窒化物を形成する。金属元素としては、Al、Si、Ti、Y、Zr、La系列、Hf、およびTaが適する。一例としてターゲットにAlを用いたときのAlN膜の成膜特性を図14に示す。図14において、横軸はN2 流量(sccm)、左縦軸は堆積速度(nm/min)、右縦軸は屈折率である。成膜条件は、以下の通りである。
Ar流量:20sccm、マイクロ波(2.45GHz)電力:500W、高周波(13.56MHz)電力:500W、基板加熱せず。
金属の窒化物は、ECRスパッタ法においては、メタルモードとオキサイドモードの明瞭な境界は形成されない傾向がある。N2 ガス流量を少なくしていくと、堆積される膜には導電性が生じ、図示した領域はメタリックな膜(抵抗体)になる。前述の実験例1で示したように、AlN膜は電荷移動層に好適である。N2 ガス流量に対する堆積速度と屈折率の変化は、他の金属窒化物でも同様であり、上記の元素の窒化物もまた電荷移動層に好適であると考えられる。
Example 9 shows a method for forming a charge transfer layer made of a metal nitride. In Example 9, metal nitride is formed using a metal target, Ar, and N 2 gas using ECR sputtering. As the metal element, Al, Si, Ti, Y, Zr, La series, Hf, and Ta are suitable. As an example, FIG. 14 shows film formation characteristics of an AlN film when Al is used as a target. In FIG. 14, the horizontal axis represents the N 2 flow rate (sccm), the left vertical axis represents the deposition rate (nm / min), and the right vertical axis represents the refractive index. The film forming conditions are as follows.
Ar flow rate: 20 sccm, microwave (2.45 GHz) power: 500 W, high frequency (13.56 MHz) power: 500 W, no substrate heating.
Metal nitrides tend not to form a clear boundary between metal mode and oxide mode in ECR sputtering. When the N 2 gas flow rate is decreased, conductivity is generated in the deposited film, and the illustrated region becomes a metallic film (resistor). As shown in Experimental Example 1 described above, the AlN film is suitable for the charge transfer layer. Changes in deposition rate and refractive index with respect to the N 2 gas flow rate are the same for other metal nitrides, and nitrides of the above elements are also considered suitable for the charge transfer layer.

実施例10では金属酸窒化物からなる電荷移動層の形成方法を示す。本実施例10では、ECRスパッタ法を用い、金属ターゲット、Ar、O2 、およびN2 ガスを用いて金属酸窒化物を形成する。金属元素としては、Al、Si、Ti、Y、Zr、La系列、Hf、およびTaが適する。金属酸窒化物は、高温でも結晶化しない性質があるため、セルフアラインのイオン注入でソース/ドレイン領域を形成し、高温の活性化熱処理を行う場合に好適である。ECRスパッタ法の場合、ArとO2 の混合ガスに少量のN2 ガスを添加しても膜中にはN元素があまり入らないため、ArとN2 ガスの混合ガスに少量のO2 ガスを漆加するようにする。O2 ガスの添加量によって膜中のNとOの組成を変えることができる。 Example 10 shows a method for forming a charge transfer layer made of a metal oxynitride. In Example 10, a metal oxynitride is formed using an ECR sputtering method using a metal target, Ar, O 2 , and N 2 gas. As the metal element, Al, Si, Ti, Y, Zr, La series, Hf, and Ta are suitable. Since metal oxynitrides have a property that they do not crystallize even at high temperatures, they are suitable for forming a source / drain region by self-aligned ion implantation and performing high-temperature activation heat treatment. For ECR sputtering, since the seldom enter N elements also in the film by adding a small amount of N 2 gas to the mixed gas of Ar and O 2, a small amount of O 2 gas to the mixed gas of Ar and N 2 gas To lacquer. The composition of N and O in the film can be changed depending on the amount of O 2 gas added.

実施例11では、実施例5(図10)における電荷保持層13と電荷障壁層14を形成するにあたり、電荷障壁層14にECRスパッタ法で堆積した金属酸化物を用い、電荷保持層13を金属酸化物表面のECRプラズマ窒化によって形成する方法について示す。金属酸化物は、実施例8(図13)で説明したメタルモード領域で成膜した膜を用いる。引き続き、ECRスパッタ装置のガスをO2 からN2 に切り替え、ArとN2 のECRプラズマを生成して金属酸化物表面に照射する。ECRプラズマ照射条件は、例えば、
Ar流量:20sccm、N2 流量:4〜10sccm、マイクロ波(2.45GHz)電力:500W、基板加熱せず、照射時間:30〜120sec。
とする。このプラズマ照射によって金属酸化物表面は約1.5nmの深さまで窒化され、酸窒化物となる。金属酸化物を1.5nmよりも厚く形成しておけば金属酸化物と金属酸窒化物の積層構造ができる。これを繰り返して実施例5の多層の電荷移動層15の構造を得る。
In Example 11, when forming the charge retention layer 13 and the charge barrier layer 14 in Example 5 (FIG. 10), a metal oxide deposited on the charge barrier layer 14 by ECR sputtering is used, and the charge retention layer 13 is formed of a metal. A method for forming an oxide surface by ECR plasma nitriding will be described. As the metal oxide, a film formed in the metal mode region described in Example 8 (FIG. 13) is used. Subsequently, the gas of the ECR sputtering apparatus is switched from O 2 to N 2 to generate ECR plasma of Ar and N 2 and irradiate the metal oxide surface. The ECR plasma irradiation conditions are, for example,
Ar flow rate: 20 sccm, N 2 flow rate: 4 to 10 sccm, microwave (2.45 GHz) power: 500 W, no substrate heating, irradiation time: 30 to 120 sec.
And By this plasma irradiation, the surface of the metal oxide is nitrided to a depth of about 1.5 nm and becomes an oxynitride. If the metal oxide is formed thicker than 1.5 nm, a laminated structure of metal oxide and metal oxynitride can be formed. By repeating this, the structure of the multilayer charge transfer layer 15 of Example 5 is obtained.

実施例12では、実施例6と7(図11と図12)の微小導電体16と19を有する電荷移動層18と21の形成方法の一例を示す。図15に示すような2つの金属ターゲット30、31を有するECRスパッタ装置を用いて形成することができる。図15において、32、33はECRプラズマ源、34は基板ホルダー、35は基板、36は加熱ヒーターである。基板35は膜厚の均一化のため回転される。この種のECRスパッタ装置は、すでに商品化されている(例えば、NTTアフティ社)。金属ターゲット30には絶縁膜を形成するための実施例8、9で挙げた金属を用いる。また、金属ターゲット31には、酸化や窒化されにくいPtやAuなどの金属を用いる。   Example 12 shows an example of a method for forming the charge transfer layers 18 and 21 having the microconductors 16 and 19 of Examples 6 and 7 (FIGS. 11 and 12). It can be formed using an ECR sputtering apparatus having two metal targets 30 and 31 as shown in FIG. In FIG. 15, 32 and 33 are ECR plasma sources, 34 is a substrate holder, 35 is a substrate, and 36 is a heater. The substrate 35 is rotated to make the film thickness uniform. This type of ECR sputtering apparatus has already been commercialized (for example, NTT AFTY). The metal mentioned in Examples 8 and 9 for forming the insulating film is used for the metal target 30. The metal target 31 is made of a metal such as Pt or Au that is not easily oxidized or nitrided.

実施例6(図11)の電荷移動層18を形成するには、加熱ヒーター36によって基板35を適度な温度に加熱し、Ar、O2 ガス、およびN2 ガスによってターゲット30をスパッタして基板35に金属酸化物を堆積すると同時にターゲット31をスパッタしてPtないしはAuを堆積させる。金属酸化物上に堆積したPtやAuは、熱のため表面でマイグレーションし、合体してしだいに大きくなっていく。小さな粒子のマイグレーションの速度は大きいが、大きく成長した粒子のマイグレーションの速度は遅くなる。同時に絶縁膜が堆積しているので、大きく成長した粒子は絶縁膜に覆われて行く。粒の大きさは、温度、PtやAuの堆積速度、絶縁膜の堆積速度によって制御できる。 In order to form the charge transfer layer 18 of Example 6 (FIG. 11), the substrate 35 is heated to an appropriate temperature by the heater 36, and the target 30 is sputtered by Ar, O 2 gas, and N 2 gas. At the same time as depositing a metal oxide on 35, the target 31 is sputtered to deposit Pt or Au. Pt or Au deposited on the metal oxide migrates on the surface due to heat and coalesces and gradually increases. The migration rate of small particles is large, but the migration rate of large grown particles is slow. At the same time, since the insulating film is deposited, the particles that have grown large are covered with the insulating film. The size of the grains can be controlled by the temperature, the deposition rate of Pt and Au, and the deposition rate of the insulating film.

実施例7(図12)における電荷移動層21を形成するには、金属酸化物の堆積とPtやAuの堆積を交互に行えば良い。   In order to form the charge transfer layer 21 in Example 7 (FIG. 12), metal oxide deposition and Pt or Au deposition may be performed alternately.

実施例13では、実施例7(図12)の電荷移動層21を1つのターゲットを持つECRスパッタ装置で形成する場合を示す。金属酸化物を堆積したのち、加熱した基板上にArガスのみで金属ターゲットをスパッタすることにより金属を酸化物表面に堆積する。堆積された金属粒子は酸化物表面でマイグレーションし、粒が形成される。酸化物と金属のスパッタを繰り返して多層の積層構造を得る。   Example 13 shows a case where the charge transfer layer 21 of Example 7 (FIG. 12) is formed by an ECR sputtering apparatus having one target. After depositing the metal oxide, the metal is deposited on the oxide surface by sputtering a metal target only with Ar gas on the heated substrate. The deposited metal particles migrate on the oxide surface to form grains. A multilayer structure is obtained by repeating sputtering of oxide and metal.

実施例14では、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、1つのトランジスタの閾値の変化を利用しで情報を記憶するものであり、図16に示すような1トランジスタ型メモリセル41の構成をとることができる。42はビット線制御回路、43はワード線制御回路、44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。例えば、p型半導体の反転層をチャンネルとする素子では、ワード線の書き込み電圧はビット線に対してプラスである。例えば、ビット線(BL1,BL2)に0V、ワード線(WL)に+3Vを印加する。この書き込みによって電荷移動層の半導体層側には正電荷が誘起され、ゲート電極側には負電荷が誘起される。これによりトランジスタの閾値は、図17に示すように、負の方向に動き、低いゲート電圧でもトランジスタがオンの状態になる。この状態を情報“1”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に読み出し電圧(閾値のオフセット電圧を考慮した適度な電圧であり、オフセットを0Vに調整すれば印加の必要はない)を印加し、ビット線につながれたセンス回路44でトランジスタのオン/オフを判読する。“0”データを書き込む場合には、ワード線に対してビット線の電圧を高くする。例えば、ワード線(WL)に0V、ビット線(BL1,BL2)に+3Vを印加する。トランジスタの閾値が前の場合と逆に動き、低いゲート電圧ではオフの状態になる。   In the fourteenth embodiment, 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 take the configuration of a one-transistor type memory cell 41 as shown in FIG. 42 is a bit line control circuit, 43 is a word line control circuit, and 44 is a sense circuit. In writing data, a write voltage is applied between the bit lines (BL1, BL2) and the word line (WL). For example, in an element using a p-type semiconductor inversion layer as a channel, the word line write voltage is positive with respect to the bit line. For example, 0V is applied to the bit lines (BL1, BL2), and + 3V is applied to the word line (WL). By this writing, a positive charge is induced on the semiconductor layer side of the charge transfer layer, and a negative charge is induced on the gate electrode side. As a result, the threshold value of the transistor moves in the negative direction as shown in FIG. 17, and the transistor is turned on even at a low gate voltage. This state is a state in which information “1” is written. Data is read by applying a read voltage to the word line (appropriate voltage considering the threshold offset voltage, and need not be applied if the offset is adjusted to 0 V), and the sense circuit 44 connected to the bit line operates the transistor. Read on / off of. When writing “0” data, the voltage of the bit line is increased with respect to the word line. For example, 0V is applied to the word line (WL), and + 3V is applied to the bit lines (BL1, BL2). The threshold value of the transistor moves in the opposite direction to the previous case, and is turned off at a low gate voltage.

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、電荷移動層に保持されている電荷によっており、電荷保持時間は数秒から数100秒と予測される。したがって、本メモリはDRAMの一種であり、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ャパシタを用いた1TIC型DRAMと同様である。既存DRAMは数100msの周期でリフレッシュを行っているが、本メモリでは数秒の周期に延ばせる可能性が高い。1TIC型DRAMの電荷の逃げが速いのは、主に半導体のpn接合からの逃げのためであるが、本メモリでは、半導体からの逃げは起こらない。   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 charge transfer layer, and the charge holding time is predicted to be several seconds to several hundred seconds. Therefore, this memory is a kind of DRAM, and it is necessary to periodically refresh data. The refresh is performed by reading the data within the data holding time, reading it, and writing the same data, as in the case of the 1TIC DRAM using the existing capacitor. The existing DRAM refreshes at a cycle of several hundreds of milliseconds, but this memory has a high possibility of extending to a cycle of several seconds. The reason why the charge escape of the 1TIC type DRAM is fast is mainly due to the escape from the pn junction of the semiconductor, but in this memory, the escape from the semiconductor does not occur.

本メモリはフラッシュメモリと異なり、電荷を長期間絶縁膜中に閉じ込めておく必要が無いため、電荷障壁層と電荷移動層の厚さを薄く形成することが可能である。また、誘電率の高いHigh-k 材料を用いてEOTを小さくすることも可能である。そのため、絶縁膜を薄くすると、低電圧でも絶縁膜にかかる電界は大きくなるので、書き込み、読み出し電圧を小さくすることができる。High-k 材料の使用は、MOSトランジスタのスケーリングに乗り、素子を微細化できるため、本メモリは将来のスケーリングに永く対応できるものと考えられる。   Unlike the flash memory, this memory does not require the charge to be confined in the insulating film for a long period of time, so that the thickness of the charge barrier layer and the charge transfer layer can be reduced. It is also possible to reduce the EOT by using a high-k material having a high dielectric constant. Therefore, when the insulating film is thinned, an electric field applied to the insulating film is increased even at a low voltage, so that the writing and reading voltages can be reduced. The use of a high-k material can scale the size of the MOS transistor and miniaturize the device, so that this memory is considered to be able to cope with future scaling for a long time.

本発明の実施例1を示す記憶素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory element which shows Example 1 of this invention. 実施例1の動作原理の説明図である。2 is an explanatory diagram of an operation principle of Embodiment 1. FIG. 本発明の実験例1で作成したMISダイオードの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the MIS diode created in Experimental example 1 of this invention. 本発明の実験例1で作成したMISダイオードのC−V特性図である。It is a CV characteristic figure of the MIS diode created in Experimental example 1 of the present invention. ECRプラズマ照射によって成長させたSiO2 膜の成膜特性図である。A film forming characteristic diagram of the SiO 2 film grown by ECR plasma irradiation. ECRプラズマ照射で成長させたSiO2 膜のMOSダイオード特性図である。It is a MOS diode characteristic view of a SiO 2 film grown by ECR plasma irradiation. 本発明の実施例2を示す記憶素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory element which shows Example 2 of this invention. 本発明の実施例3を示す記憶素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory element which shows Example 3 of this invention. 本発明の実施例4を示す記憶素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory element which shows Example 4 of this invention. 本発明の実施例5を示す記憶素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory element which shows Example 5 of this invention. 本発明の実施例6を示す記憶素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory element which shows Example 6 of this invention. 本発明の実施例7を示す記憶素子の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the memory element which shows Example 7 of this invention. ECRスパッタ法によるAl23 膜の成膜特性図である。A film forming characteristic diagram of the Al 2 O 3 film by ECR sputtering. ECRスパッタ法によるAlN膜の成膜特性図である。It is a film-forming characteristic figure of an AlN film by ECR sputtering method. 2つのECR源を持つECRスパッタ装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the ECR sputtering apparatus with two ECR sources. 本発明の電荷移動型メモリの基本回路図である。1 is a basic circuit diagram of a charge transfer memory according to the present invention. 本発明の電荷移動型記憶素子の閾値シフトを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the threshold value shift of the charge transfer type storage element of this invention. 従来の電荷蓄積記憶素子(フラッシュメモリ)を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the conventional charge storage memory element (flash memory).

符号の説明Explanation of symbols

1:半導体層
2:電荷障壁層
3:電荷移動層
4:ゲート電極
5:ソース
6:ドレイン
7:電荷障壁層
8:電荷移動層
9:電荷障壁層
10:電荷移動層
11:第1の電荷障壁層
12:第2の電荷障壁層
13:電荷保持層
14:電荷障壁層
15:電荷移動層
16:微小導電体
17:絶縁体
18:電荷移動層
19:微小導電体
20:絶縁体
21:電荷移動層
30,31:金属ターゲット
32,33:ECRプラズマ源
34:基板ホルダー
35:基板
36:加熱ヒーター
41:メモリセル
42:ビット線制御回路
43:ワード線制御回路
44:センス回路
51:半導体層
52:電荷障壁層
53:電荷移動層
54:ゲート電極
1: Semiconductor layer 2: Charge barrier layer 3: Charge transfer layer 4: Gate electrode 5: Source 6: Drain 7: Charge barrier layer 8: Charge transfer layer 9: Charge barrier layer 10: Charge transfer layer 11: First charge Barrier layer 12: Second charge barrier layer 13: Charge holding layer 14: Charge barrier layer 15: Charge transfer layer 16: Microconductor 17: Insulator 18: Charge transfer layer 19: Microconductor 20: Insulator 21: Charge transfer layer 30, 31: Metal target 32, 33: ECR plasma source 34: Substrate holder 35: Substrate 36: Heater 41: Memory cell 42: Bit line control circuit 43: Word line control circuit 44: Sense circuit 51: Semiconductor Layer 52: Charge barrier layer 53: Charge transfer layer 54: Gate electrode

Claims (21)

金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、
前記絶縁膜が電荷移動層としての機能を持ち、当該電荷移動層中に電荷を保持するとともに、前記金属と前記半導体間に印加された電圧による前記電荷移動層内の電界によって前記電荷が前記電荷移動層中を移動し、
前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする記憶素子。
MIS type transistor structure consisting of metal, insulating film and semiconductor,
The insulating film functions as a charge transfer layer, holds charges in the charge transfer layer, and the charges are generated by an electric field in the charge transfer layer due to a voltage applied between the metal and the semiconductor. Move through the moving bed,
Charges having the opposite polarity to the voltage applied to the metal accumulate on the metal side in the charge transfer layer, and charges of the same polarity as the voltage applied to the metal accumulate on the semiconductor side in the charge transfer layer. By changing the threshold value of the MIS transistor, a memory element is provided.
金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、
前記絶縁膜が少なくとも電荷移動層と電荷障壁層とを有し、前記電荷障壁層の欠陥密度は前記電荷移動層中の欠陥密度よりも少なく、かつ、前記電荷障壁層は電荷移動に対して前記電荷移動層よりも大きな障壁を持ち、前記電荷障壁層が前記半導体に接し、前記電荷移動層が前記金属に接し、
前記金属と前記半導体間に印加する電圧でつくられる電界により前記電荷移動層中の電荷を移動させ、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする記憶素子。
MIS type transistor structure consisting of metal, insulating film and semiconductor,
The insulating film has at least a charge transfer layer and a charge barrier layer, the defect density of the charge barrier layer is less than the defect density in the charge transfer layer, and the charge barrier layer Having a larger barrier than the charge transfer layer, the charge barrier layer in contact with the semiconductor, the charge transfer layer in contact with the metal,
A charge in the charge transfer layer is moved by an electric field generated by a voltage applied between the metal and the semiconductor, and a charge having a polarity opposite to the voltage applied to the metal is present on the metal side in the charge transfer layer. The memory element is characterized in that a charge having the same polarity as the voltage applied to the metal is accumulated on the semiconductor side in the charge transfer layer, thereby changing a threshold value of the MIS transistor.
金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、
前記絶縁膜が少なくとも電荷移動層と電荷障壁層とを有し、前記電荷障壁層の欠陥密度は前記電荷移動層中の欠陥密度よりも少なく、かつ、前記電荷障壁層は電荷移動に対して前記電荷移動層よりも大きな障壁を持ち、前記電荷障壁層が前記金属に接し、前記電荷移動層が前記半導体に接し、
前記金属と前記半導体間に印加する電圧でつくられる電界により前記電荷移動層中の電荷を移動させ、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする記憶素子。
MIS type transistor structure consisting of metal, insulating film and semiconductor,
The insulating film has at least a charge transfer layer and a charge barrier layer, the defect density of the charge barrier layer is less than the defect density in the charge transfer layer, and the charge barrier layer Having a larger barrier than the charge transfer layer, wherein the charge barrier layer is in contact with the metal, the charge transfer layer is in contact with the semiconductor,
A charge in the charge transfer layer is moved by an electric field generated by a voltage applied between the metal and the semiconductor, and a charge having a polarity opposite to the voltage applied to the metal is present on the metal side in the charge transfer layer. The memory element is characterized in that a charge having the same polarity as the voltage applied to the metal is accumulated on the semiconductor side in the charge transfer layer, thereby changing a threshold value of the MIS transistor.
金属、絶縁膜、半導体からなるMIS型トランジスタ構造を有し、
前記絶縁膜が少なくとも電荷移動層と当該電荷移動層を挟んだ第1と第2の電荷障壁層とを有し、前記第1および第2の電荷障壁層の欠陥密度は前記電荷移動層中の欠陥密度よりも少なく、かつ、前記第1と第2の電荷障壁層は電荷移動に対して前記電荷移動層よりも大きな障壁を持ち、前記第1の電荷障壁層が前記半導体に接し、前記第2の電荷障壁層が前記金属に接し、
前記金属と前記半導体間に電圧を印加することで前記電荷移動層中の電荷を移動させ、前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記金属の側に、前記金属に印加した前記電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体の側に蓄積することにより前記MIS型トランジスタの閾値を変化させることを特徴とする記憶素子。
MIS type transistor structure consisting of metal, insulating film and semiconductor,
The insulating film has at least a charge transfer layer and first and second charge barrier layers sandwiching the charge transfer layer, and the defect density of the first and second charge barrier layers is in the charge transfer layer. Less than the defect density, and the first and second charge barrier layers have a larger barrier to charge transfer than the charge transfer layer; the first charge barrier layer is in contact with the semiconductor; Two charge barrier layers contact the metal;
By applying a voltage between the metal and the semiconductor, the charge in the charge transfer layer is moved, and a charge having a polarity opposite to the voltage applied to the metal is present on the metal side in the charge transfer layer. A memory element, wherein a threshold voltage of the MIS transistor is changed by accumulating charges having the same polarity as the voltage applied to a metal on the semiconductor side in the charge transfer layer.
請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、
前記電荷移動層は、欠陥がつくる局在準位を持ち、当該局在準位に電荷を保持するとともに、前記金属と前記半導体間に印加する電圧が前記電荷移動層中につくる電界によって前記電荷が前記局在準位間を移動し、
前記金属に印加した電圧とは反対極性の電荷が前記電荷移動層中の前記電極側に蓄積し、前記金属に印加した電圧と同極性の電荷が前記電荷移動層中の前記半導体側に蓄積することを特徴とする記憶素子。
The memory element according to any one of claims 1 to 4,
The charge transfer layer has a localized level created by a defect, holds a charge at the localized level, and a voltage applied between the metal and the semiconductor is generated by an electric field generated in the charge transfer layer. Move between the localized levels,
Charges having the opposite polarity to the voltage applied to the metal accumulate on the electrode side in the charge transfer layer, and charges of the same polarity as the voltage applied to the metal accumulate on the semiconductor side in the charge transfer layer. A memory element.
請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、
前記電荷移動層は、電荷保持層と第3の電荷障壁層を有し、前記電荷保持層の欠陥密度を前記第3の電荷障壁層の欠陥密度よりも大きくし、前記電荷保持層と前記第3の電荷障壁層を交互に積層した構造を有し、
前記金属と前記半導体間に印加する電圧が前記電荷移動層中につくる電界により前記電荷保持層の電荷が前記電荷保持層間を移動することを特徴とする記憶素子。
The memory element according to any one of claims 1 to 4,
The charge transfer layer includes a charge retention layer and a third charge barrier layer, the defect density of the charge retention layer is made larger than the defect density of the third charge barrier layer, and the charge retention layer and the first charge barrier layer 3 charge barrier layers alternately stacked,
A memory element, wherein a charge applied to the charge holding layer moves between the charge holding layers by an electric field generated in the charge transfer layer by a voltage applied between the metal and the semiconductor.
請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、
前記電荷移動層は、絶縁体中に設けた複数の微小導電体を有し、当該微小導電体に電荷を保持するとともに、前記金属と前記半導体間に印加する電圧が前記電荷移動層中につくる電界により前記微小導電体間を前記電荷が移動することを特徴とする記憶素子。
The memory element according to any one of claims 1 to 4,
The charge transfer layer includes a plurality of microconductors provided in an insulator, holds charges in the microconductor, and a voltage applied between the metal and the semiconductor is generated in the charge transfer layer. A memory element, wherein the electric charge moves between the minute conductors by an electric field.
請求項1乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、
前記電荷移動層は、絶縁体からなる第1の層と微小導電体それぞれが離れた形で絶縁体内に設けられた第2の層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする記憶素子。
The memory element according to any one of claims 1 to 4,
The memory is characterized in that the charge transfer layer has a structure in which first layers made of an insulator and second layers provided in the insulator are alternately stacked so that the microconductors are separated from each other. element.
請求項1乃至6のいずれか1つに記載の記憶素子において、
前記電荷移動層又は前記電荷保持層は、金属窒化物、金属酸窒化物、又は化学量論的組成がずれた金属酸化物のいずれか1つからなることを特徴とする記憶素子。
The memory element according to any one of claims 1 to 6,
The memory element, wherein the charge transfer layer or the charge retention layer is made of any one of a metal nitride, a metal oxynitride, or a metal oxide having a stoichiometric composition.
請求項2乃至4のいずれか1つに記載の記憶素子において、
前記電荷障壁層は、金属酸窒化物、又は化学量論的組成を持つ金属酸化物のうちの1つからなることを特徴とする記憶素子。
The memory element according to any one of claims 2 to 4,
The memory device according to claim 1, wherein the charge barrier layer is made of one of a metal oxynitride and a metal oxide having a stoichiometric composition.
請求項7又は8に記載の記憶素子において、
前記電荷移動層中の前記絶縁体は金属酸化物からなり、前記微小導電体は金属からなることを特徴とする記憶素子。
The memory element according to claim 7 or 8,
The memory element according to claim 1, wherein the insulator in the charge transfer layer is made of a metal oxide, and the minute conductor is made of a metal.
請求項1乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層は金属酸化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび酸素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記酸素ガスの供給量を、スパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率からずれる屈折率となる供給量として、前記電荷移動層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method for manufacturing a memory element according to any one of claims 1 to 5,
The charge transfer layer is a metal oxide;
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, rare gas and oxygen gas supply means, a target made of metal, and power application means to the target,
The charge transfer layer is formed by setting the supply amount of the oxygen gas to a supply amount in which the refractive index of the metal oxide deposited by sputtering is different from the refractive index of the stoichiometric metal oxide. A method for manufacturing a memory element.
請求項1乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層は金属窒化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記希ガスと前記窒素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記電荷移動層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method for manufacturing a memory element according to any one of claims 1 to 5,
The charge transfer layer is a metal nitride;
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, rare gas and nitrogen gas supply means, a target made of metal, and power application means to the target,
A method of manufacturing a memory element, wherein the charge transfer layer is formed by sputtering with supplying the rare gas and the nitrogen gas.
請求項1乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層は金属酸窒化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記希ガス、前記酸素ガスおよび前記窒素ガスを同時に供給してスパッタリングすることにより前記電荷移動層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method for manufacturing a memory element according to any one of claims 1 to 5,
The charge transfer layer is a metal oxynitride;
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, supply means for rare gas, oxygen gas and nitrogen gas, a target made of metal, and power application means to the target,
A method for manufacturing a memory element, wherein the charge transfer layer is formed by simultaneously supplying the rare gas, the oxygen gas, and the nitrogen gas and performing sputtering.
請求項2乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層および前記電荷障壁層は金属酸化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび酸素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記希ガスを供給するとともに、
前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率となる第1の供給量として前記電荷障壁層を形成し、
前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率からずれた屈折率となる第2の供給量として前記電荷移動層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method for manufacturing a memory element according to any one of claims 2 to 5,
The charge transfer layer and the charge barrier layer are metal oxides;
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, rare gas and oxygen gas supply means, a target made of metal, and power application means to the target,
While supplying the rare gas,
Forming the charge barrier layer as a first supply amount in which the refractive index of the metal oxide deposited by sputtering is the refractive index of the stoichiometric metal oxide;
The charge transfer layer is used as a second supply amount in which the refractive index of the metal oxide deposited by sputtering is different from the refractive index of the stoichiometric metal oxide. A method for manufacturing a memory element, comprising: forming a memory element.
請求項2乃至5のいずれか1つに記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層が金属窒化物であり、前記電荷障壁層が金属酸化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記希ガスと前記酸素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記電荷障壁層を形成し、前記希ガスと前記窒素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記電荷移動層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method for manufacturing a memory element according to any one of claims 2 to 5,
The charge transfer layer is a metal nitride, and the charge barrier layer is a metal oxide;
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, supply means for rare gas, oxygen gas and nitrogen gas, a target made of metal, and power application means to the target,
The charge barrier layer is formed by supplying and sputtering the rare gas and the oxygen gas, and the charge transfer layer is formed by supplying and sputtering the rare gas and the nitrogen gas. A method for manufacturing a memory element.
請求項6に記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層中の前記電荷保持層および前記第3の電荷障壁層は金属酸化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガスおよび酸素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率となる第1の供給量として前記第3の電荷障壁層を形成し、
前記酸素ガスの供給量をスパッタリングにより堆積される前記金属酸化物の屈折率が化学量論的組成の金属酸化物の屈折率からずれた屈折率となる第2の供給量として前記電荷保持層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method of manufacturing a memory element according to claim 6,
The charge retention layer and the third charge barrier layer in the charge transfer layer are metal oxides;
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, rare gas and oxygen gas supply means, a target made of metal, and power application means to the target,
The third charge barrier layer is formed as a first supply amount in which the refractive index of the metal oxide deposited by sputtering is the refractive index of the stoichiometric metal oxide. ,
The charge retention layer is used as a second supply amount in which the refractive index of the metal oxide deposited by sputtering is different from the refractive index of the stoichiometric metal oxide. A method for manufacturing a memory element, comprising: forming a memory element.
請求項6に記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層中の前記電荷保持層が金属窒化物であり、前記第3の電荷障壁層が金属酸化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記希ガスと前記酸素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記第3の電荷障壁層を形成し、前記希ガスと前記窒素ガスを供給することにより前記電荷保持層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method of manufacturing a memory element according to claim 6,
The charge retention layer in the charge transfer layer is a metal nitride, and the third charge barrier layer is a metal oxide;
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, supply means for rare gas, oxygen gas and nitrogen gas, a target made of metal, and power application means to the target,
The third charge barrier layer is formed by supplying and sputtering the rare gas and the oxygen gas, and the charge retention layer is formed by supplying the rare gas and the nitrogen gas. A method for manufacturing a memory element.
請求項6に記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷移動層中の前記電荷保持層が金属酸窒化物であり、前記第3の電荷障壁層が金属酸化物であり、
電子サイクロトロン共鳴プラズマ発生手段と、希ガス、酸素ガスおよび窒素ガスの供給手段と、金属からなるターゲットと、前記ターゲットヘの電力印加手段とを少なくとも有するスパッタリング手段を用い、
前記希ガスと前記酸素ガスを供給してスパッタリングすることにより前記第3の電荷障壁層を形成し、次に、前記ターゲットに電力を印加せず、前記希ガスと前記窒素ガスの電子サイクロトロン共鳴プラズマを前記第3の電荷障壁層表面に照射することにより前記第3の電荷障壁層表面に前記電荷保持層を形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method of manufacturing a memory element according to claim 6,
The charge retention layer in the charge transfer layer is a metal oxynitride, the third charge barrier layer is a metal oxide,
Using sputtering means having at least electron cyclotron resonance plasma generation means, supply means for rare gas, oxygen gas and nitrogen gas, a target made of metal, and power application means to the target,
The third charge barrier layer is formed by sputtering by supplying the rare gas and the oxygen gas, and then, an electric cyclotron resonance plasma of the rare gas and the nitrogen gas without applying power to the target. Irradiating the surface of the third charge barrier layer to form the charge retention layer on the surface of the third charge barrier layer.
請求項2又は4に記載の記憶素子の製造方法であって、
前記電荷障壁層はSiO2 であり、前記半導体はシリコンであり、
当該SiO2 を、希ガスと酸素ガスの電子サイクロトロン共鳴プラズマを前記シリコンの表面に照射することにより形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method of manufacturing a memory element according to claim 2 or 4,
The charge barrier layer is SiO 2 and the semiconductor is silicon;
A method for manufacturing a memory element, characterized in that the SiO 2 is formed by irradiating the silicon surface with an electron cyclotron resonance plasma of a rare gas and an oxygen gas.
請求項7又は8に記載の記憶素子の製造方法であって、
前記微小導電体は、加熱した前記絶縁体表面に金属膜を堆積することにより形成することを特徴とする記憶素子の製造方法。
A method of manufacturing a memory element according to claim 7 or 8,
The method for manufacturing a memory element, wherein the minute conductor is formed by depositing a metal film on the surface of the heated insulator.
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