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JP2010080827A - Nonvolatile semiconductor memory, and method of manufacturing the same - Google Patents

Nonvolatile semiconductor memory, and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2010080827A
JP2010080827A JP2008249750A JP2008249750A JP2010080827A JP 2010080827 A JP2010080827 A JP 2010080827A JP 2008249750 A JP2008249750 A JP 2008249750A JP 2008249750 A JP2008249750 A JP 2008249750A JP 2010080827 A JP2010080827 A JP 2010080827A
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insulating film
semiconductor
forming
particles
semiconductor memory
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JP2008249750A
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Japanese (ja)
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Toshihide Ito
俊秀 伊藤
Daisuke Matsushita
大介 松下
Koichi Kato
弘一 加藤
Akira Takashima
章 高島
Yuichiro Mitani
祐一郎 三谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract


【課題】電荷を蓄積する半導体粒子の電荷トラップサイトを増大させることにより、大容量化または微細化が可能な不揮発性半導体メモリおよび不揮発性半導体メモリの製造方法を提供する。
【解決手段】第1導電型の半導体基板と、半導体基板内に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域と、チャネル領域上に形成される第1絶縁膜と、第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する半導体粒子と、半導体粒子上に形成される第2絶縁膜と、第2絶縁膜上に形成される制御ゲート電極と、を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリおよび不揮発性半導体メモリの製造方法。
【選択図】図1

A nonvolatile semiconductor memory capable of increasing the capacity or miniaturization by increasing the number of charge trap sites of semiconductor particles that accumulate charges and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory are provided.
A semiconductor substrate of a first conductivity type, a source / drain region of a second conductivity type provided in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other, a channel region formed between the source / drain regions, and a channel region A first insulating film formed thereon, a semiconductor particle formed on the first insulating film and containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y, and a semiconductor A non-volatile semiconductor memory comprising a second insulating film formed on a particle and a control gate electrode formed on the second insulating film, and a method for manufacturing the non-volatile semiconductor memory.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体粒子に電荷を蓄積する不揮発性半導体メモリおよび不揮発性半導体メモリの製造方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory that accumulates electric charges in semiconductor particles and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory.

NAND型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルとして、MONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon)型のメモリセルの研究開発が盛んである。MONOS型のメモリセルとは、半導体基板(Silicon)上にトンネル絶縁膜(Oxide)と電荷トラップ膜(Nitride)を形成し、さらにその上に電荷ブロック膜(Oxide)を介して制御ゲート電極(Metal)を形成したスタック構造を有する半導体素子である。MONOS型不揮発性半導体メモリ装置のメモリセルでは、トンネル絶縁膜に高電圧を印加して、シリコン基板側から電荷トラップ膜に電子を注入することで生じる閾値電圧のシフトを情報の記憶に用いている。   As a memory cell of a NAND type nonvolatile semiconductor memory device, research and development of a MONOS (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon) type memory cell has been actively conducted. The MONOS type memory cell is formed by forming a tunnel insulating film (Oxide) and a charge trapping film (Nitride) on a semiconductor substrate (Silicon), and further controlling a control gate electrode (Metal) via a charge blocking film (Oxide) thereon. ) Is a semiconductor device having a stack structure. In the memory cell of the MONOS type nonvolatile semiconductor memory device, a threshold voltage shift caused by applying a high voltage to the tunnel insulating film and injecting electrons from the silicon substrate side into the charge trapping film is used for storing information. .

更なる、近年のメモリの大容量化に伴いEOT(Equivalent Oxide Thickness)の薄膜化が必須であり、従来の電荷トラップ膜であるSiNの代わりに単結晶もしくは多結晶のSiやGeのナノクリスタル(NC)のような半導体粒子(以下、半導体ナノ粒子ともいう)に電荷を蓄積するメモリ(以下、NCメモリともいう)が検討されている(例えば、特許文献1)。   Further, with the recent increase in memory capacity, it is essential to reduce the thickness of EOT (Equivalent Oxide Thickness). Instead of SiN, which is a conventional charge trapping film, single crystal or polycrystal Si or Ge nanocrystals ( A memory (hereinafter also referred to as NC memory) that accumulates charges in semiconductor particles (hereinafter also referred to as semiconductor nanoparticles) such as NC) has been studied (for example, Patent Document 1).

また、HfをSiに添加することで、Siのミッドギャップよりも価電子帯上端側に4つの欠陥準位および伝導帯下端側に6つの欠陥準位が形成されることが、DLTS測定により調べられている(非特許文献1)。
特開2006−120663号公報 R. Sachdeva et al, Physica B 376−377,420 (2006)
In addition, by adding Hf to Si, it is investigated by DLTS measurement that four defect levels are formed on the upper end side of the valence band and six defect levels on the lower end side of the conduction band from the mid gap of Si. (Non-Patent Document 1).
JP 2006-120663 A R. Sachdeva et al, Physica B 376-377, 420 (2006)

現状の単結晶もしくは多結晶のSiやGeなどの半導体NCを用いたNCメモリにおいては、1個のNCにトラップされる平均的な電子の数は約1個であり、従来のSiNを電荷トラップ層に用いたMONOS型のメモリに比べてトラップサイトが少ないことが課題となっている。   In the current NC memory using a semiconductor NC such as single crystal or polycrystal Si or Ge, the average number of electrons trapped in one NC is about one, and the conventional SiN is trapped in charge. The problem is that there are fewer trap sites than the MONOS type memory used for the layer.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、電荷を蓄積する半導体粒子の電荷トラップサイトを増大させることにより、大容量化または微細化が可能な不揮発性半導体メモリおよび不揮発性半導体メモリの製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is non-volatile that can be increased in capacity or miniaturized by increasing the number of charge trap sites of semiconductor particles that accumulate charges. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor memory and a nonvolatile semiconductor memory.

本発明の第1の態様の不揮発性半導体メモリは、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、前記ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域と、前記チャネル領域上に形成される第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する半導体粒子と、前記半導体粒子上に形成される第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に形成される制御ゲート電極と、を有することを特徴とする。   A nonvolatile semiconductor memory according to a first aspect of the present invention includes a first conductive type semiconductor substrate, a second conductive type source / drain region provided in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other, and the source / drain A channel region formed between the regions, a first insulating film formed on the channel region, and formed on the first insulating film, from a group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, Y It has semiconductor particles containing at least one element selected, a second insulating film formed on the semiconductor particles, and a control gate electrode formed on the second insulating film.

ここで、第1の態様の不揮発性半導体メモリにおいて、前記半導体粒子表面に、前記半導体粒子の酸化層が形成されることが望ましい。   Here, in the nonvolatile semiconductor memory of the first aspect, it is preferable that an oxide layer of the semiconductor particles is formed on the surface of the semiconductor particles.

ここで、第1の態様の不揮発性半導体メモリにおいて、前記第2絶縁膜は、前記半導体粒子に含有される前記元素の酸化物であることが望ましい。   Here, in the nonvolatile semiconductor memory according to the first aspect, it is desirable that the second insulating film is an oxide of the element contained in the semiconductor particles.

ここで、第1の態様の不揮発性半導体メモリにおいて、前記半導体粒子の粒径が3nm以上10nm以下であり、前記半導体粒子に含有される前記元素の原子密度が2×1018cm−3以上1×1020cm−3以下であることが望ましい。 Here, in the nonvolatile semiconductor memory of the first aspect, the particle size of the semiconductor particles is 3 nm or more and 10 nm or less, and the atomic density of the element contained in the semiconductor particles is 2 × 10 18 cm −3 or more and 1 × is desirably 10 20 cm -3 or less.

ここで、第1の態様の不揮発性半導体メモリにおいて、前記半導体粒子がSi粒子であるが望ましい。   Here, in the nonvolatile semiconductor memory of the first aspect, it is preferable that the semiconductor particles are Si particles.

本発明の第2の態様の不揮発性半導体メモリは、第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板内に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、前記ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域と、前記チャネル領域上に形成される第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する半導体粒子と、前記半導体粒子上に形成され、前記半導体粒子に含有される前記元素の酸窒化物である第2絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に形成される第3絶縁膜と、前記第3絶縁膜上に形成される制御ゲート電極と、を有することを特徴とする。   A nonvolatile semiconductor memory according to a second aspect of the present invention includes a first conductive type semiconductor substrate, a second conductive type source / drain region provided in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other, and the source / drain A channel region formed between the regions, a first insulating film formed on the channel region, and formed on the first insulating film, from a group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, Y Semiconductor particles containing at least one selected element, a second insulating film formed on the semiconductor particles and being an oxynitride of the element contained in the semiconductor particles, and formed on the second insulating film And a control gate electrode formed on the third insulating film.

本発明の第3の態様の不揮発性半導体メモリの製造方法は、第1導電型の半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜上に半導体粒子を形成する工程と、前記半導体粒子表面にHf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する金属層を形成する工程と、前記金属層に含有される前記元素を熱処理により前記半導体粒子中に拡散する工程と、前記金属層を酸化することで第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜の上に制御ゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板にソース・ドレイン領域を形成する工程と、を有することを特徴とする。   The non-volatile semiconductor memory manufacturing method according to the third aspect of the present invention includes a step of forming a first insulating film on a first conductivity type semiconductor substrate, and a step of forming semiconductor particles on the first insulating film. Forming a metal layer containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y on the surface of the semiconductor particles, and heat-treating the element contained in the metal layer Diffusing into the semiconductor particles, forming a second insulating film by oxidizing the metal layer, forming a control gate electrode on the second insulating film, and Forming a source / drain region.

ここで、第3の態様の不揮発性半導体メモリの製造方法において、前記第2絶縁膜を形成する工程において、前記半導体粒子表面に、前記半導体粒子の酸化層を形成することが望ましい。   Here, in the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect, it is desirable that in the step of forming the second insulating film, an oxide layer of the semiconductor particles is formed on the surface of the semiconductor particles.

ここで、第3の態様の不揮発性半導体メモリの製造方法において、前記熱処理が不活性ガス雰囲気中で行われることが望ましい。   Here, in the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect, it is preferable that the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere.

ここで、第3の態様の不揮発性半導体メモリの製造方法において、前記金属層を形成する工程において前記元素を前記第1絶縁膜に導入し、前記熱処理により前記元素を前記半導体基板と前記第1絶縁膜との界面まで拡散させることが望ましい。   Here, in the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect, the element is introduced into the first insulating film in the step of forming the metal layer, and the element is added to the semiconductor substrate and the first by the heat treatment. It is desirable to diffuse to the interface with the insulating film.

ここで、第3の態様の不揮発性半導体メモリの製造方法において、前記半導体粒子がSi粒子であることが望ましい。   Here, in the method of manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect, it is desirable that the semiconductor particles are Si particles.

本発明の第4の態様の不揮発性半導体メモリの製造方法は、第1導電型の半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1絶縁膜上に半導体粒子を形成する工程と、前記半導体粒子表面にHf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する金属層を形成する工程と、前記金属層に含有される前記元素を熱処理により前記半導体粒子中に拡散する工程と、前記金属層を酸窒化することで第2絶縁膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜の上に第3絶縁膜を形成する工程と、前記第3絶縁膜の上に制御ゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板にソース・ドレイン領域を形成する工程と、を有することを特徴とする。   A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory according to a fourth aspect of the present invention includes a step of forming a first insulating film on a first conductivity type semiconductor substrate, and a step of forming semiconductor particles on the first insulating film. Forming a metal layer containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y on the surface of the semiconductor particles, and heat-treating the element contained in the metal layer Diffusing into the semiconductor particles, forming a second insulating film by oxynitriding the metal layer, forming a third insulating film on the second insulating film, 3. A step of forming a control gate electrode on the insulating film and a step of forming a source / drain region in the semiconductor substrate.

本発明によれば、電荷を蓄積する半導体粒子の電荷トラップサイトを増大させることにより、大容量化または微細化が可能な不揮発性半導体メモリおよび不揮発性半導体メモリの製造方法を提供することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory that can be increased in capacity or miniaturized by increasing the number of charge trap sites of semiconductor particles that accumulate charges, and a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory. Become.

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual device. However, these are in consideration of the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態の不揮発性半導体メモリは、第1導電型の半導体基板と、半導体基板内に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域と、チャネル領域上に形成される第1絶縁膜と、第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する半導体粒子と、半導体粒子上に形成される第2絶縁膜と、第2絶縁膜上に形成される制御ゲート電極と、を有する。
(First embodiment)
A nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention includes a first conductive type semiconductor substrate, a second conductive type source / drain region provided in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other, and a source / drain A channel region formed between the regions, a first insulating film formed on the channel region, and formed on the first insulating film, and selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y Semiconductor particles containing at least one element, a second insulating film formed on the semiconductor particles, and a control gate electrode formed on the second insulating film are included.

ここでは、電荷を蓄積する半導体粒子としてナノオーダーサイズの単結晶もしくは多結晶のSi粒子(以下、Siナノ粒子ともいう)を有するNAND型不揮発性メモリを例に説明する。NAND型不揮発性半導体メモリは、ビット線と、ビット線に接続される選択ゲートトランジスタと、選択ゲートトランジスタと直列に複数のメモリセルが配置されることで構成される。   Here, a NAND type nonvolatile memory having nano-order size single crystal or polycrystalline Si particles (hereinafter also referred to as Si nanoparticles) as semiconductor particles for accumulating charges will be described as an example. The NAND type nonvolatile semiconductor memory is configured by arranging a bit line, a selection gate transistor connected to the bit line, and a plurality of memory cells in series with the selection gate transistor.

図1は、本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルの断面図である。図1(a)はビット線に平行な方向の断面図、図1(b)はワード線に平行な方向の断面図であり、図1(a)と図1(b)とは互いに直交する断面を示している。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment. 1A is a cross-sectional view in a direction parallel to the bit line, FIG. 1B is a cross-sectional view in a direction parallel to the word line, and FIG. 1A and FIG. 1B are orthogonal to each other. A cross section is shown.

図1(a)に示すように、p型シリコン基板10中には、互いに離間してソース・ドレイン領域12が形成されている。p型シリコン基板10中のn型ソース・ドレイン領域12間に形成されるチャネル領域14上には、トンネル絶縁膜16として例えばSiO、SiONが形成される。ここで、トンネル絶縁膜16は、SiO、SiN、SiOの積層膜(以下、ONO膜と呼ぶ)でも構わない。 As shown in FIG. 1A, source / drain regions 12 are formed in a p-type silicon substrate 10 so as to be separated from each other. For example, SiO 2 and SiON are formed as the tunnel insulating film 16 on the channel region 14 formed between the n-type source / drain regions 12 in the p-type silicon substrate 10. Here, the tunnel insulating film 16 may be a laminated film of SiO 2 , SiN, and SiO 2 (hereinafter referred to as an ONO film).

トンネル絶縁膜16上には、電荷蓄積層として複数のSiナノ粒子18が形成されている。そして、各々のSiナノ粒子18中には、Hfが含有される。また、Siナノ粒子18の表面には、Siナノ粒子18の酸化層18a、すなわちSiOが形成されている。 On the tunnel insulating film 16, a plurality of Si nanoparticles 18 are formed as a charge storage layer. Each Si nanoparticle 18 contains Hf. Further, an oxide layer 18 a of the Si nanoparticles 18, that is, SiO 2 is formed on the surface of the Si nanoparticles 18.

Siナノ粒子18の上には、Siナノ粒子18中に含まれるHfの酸化物HfOで構成されるブロック絶縁膜20が形成される。ブロック絶縁膜20の上には、チャネル領域14とSiナノ粒子18との間の電子・正孔の流れを制御するための、例えばTaNで構成される制御ゲート電極22と、マスク材24が順次積層される。なお、マスク材24は必ずしも必須ではない。 On the Si nanoparticles 18, a block insulating film 20 made of the oxide HfO 2 of Hf contained in the Si nanoparticles 18 is formed. On the block insulating film 20, a control gate electrode 22 made of, for example, TaN and a mask material 24 for controlling the flow of electrons and holes between the channel region 14 and the Si nanoparticles 18 are sequentially formed. Laminated. Note that the mask material 24 is not necessarily essential.

トンネル絶縁膜16は、メモリセルの書き込み・消去時には、トンネリング現象によりチャネル領域とSiナノ粒子との間での電子・正孔移動経路として機能する。また、読み出し時・待機時にはそのバリアハイトにより、チャネル領域とSiナノ粒子との間での電子・正孔移動を抑制する機能を有する。また、ブロック絶縁膜20は、電荷蓄積層となるSiナノ粒子18と制御ゲート電極22との間の電子・正孔の流れをブロックする機能を有している。   The tunnel insulating film 16 functions as an electron / hole transfer path between the channel region and the Si nanoparticles due to a tunneling phenomenon during writing / erasing of the memory cell. In addition, it has a function of suppressing electron / hole transfer between the channel region and the Si nanoparticles by the barrier height during reading and standby. The block insulating film 20 has a function of blocking the flow of electrons / holes between the Si nanoparticles 18 serving as a charge storage layer and the control gate electrode 22.

これらの積層体の最上面および側面は電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜26で覆われている。さらに、全面を覆うように層間絶縁膜28が形成されている。また、図1(b)に示すように、隣り合うメモリセルのチャネル領域14、トンネル絶縁膜16からブロック絶縁膜20までの積層部分は、互いにシリコン酸化膜で構成される素子分離領域30によって隔てられている。ワード線方向に並ぶ各メモリセルは制御ゲート電極22が共通であり、これらは素子分離領域30上に延在している。   The top and side surfaces of these laminates are covered with a silicon oxide film 26 called an electrode side wall oxide film. Further, an interlayer insulating film 28 is formed so as to cover the entire surface. Further, as shown in FIG. 1B, the channel region 14 of adjacent memory cells and the stacked portion from the tunnel insulating film 16 to the block insulating film 20 are separated from each other by an element isolation region 30 formed of a silicon oxide film. It has been. Each memory cell arranged in the word line direction has a common control gate electrode 22, which extends on the element isolation region 30.

HfがSi結晶のバルクに入り込むとエネルギーギャップ中にHfに起因した複数の局在準位が形成される。こうした、エネルギーギャップ中の準位には電荷を捕獲することが可能である。したがって、本実施の形態のように、Siナノ粒子にHfを添加することで、EOTを増加させることなく、電荷捕獲効率を増加させることができる。   When Hf enters the bulk of the Si crystal, a plurality of localized levels due to Hf are formed in the energy gap. Charges can be trapped at levels in the energy gap. Therefore, the charge trapping efficiency can be increased without increasing EOT by adding Hf to the Si nanoparticles as in the present embodiment.

上述のように、HfをSiに添加することで、Siのミッドギャップよりも価電子帯上端側に4つの欠陥準位および伝導帯下端側に6つの欠陥準位が形成されることがDLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)測定により明らかにされている。   As described above, when Hf is added to Si, it is possible to form four defect levels on the upper end side of the valence band and six defect levels on the lower end side of the conduction band from the mid gap of Si. It is revealed by Deep Level Transient Spectroscopy) measurement.

また、一般的に、価電子帯上端近傍および伝導帯下端近傍の準位はそれぞれ正孔および電子に対するトラップ準位として機能することから、Hfが添加されたSiナノ粒子18においては、電子と正孔の共存が可能である。ここで、MONOSやNCメモリなどのトラップ型フラッシュメモリにおいては、電子に対して十分少ない正孔を共存させると、電荷保持特性が向上する。このメカニズムは、一度トラップされた電子が絶縁膜を介して抜けたとき、正孔も同様に抜けることで、電荷が補償されるためである。   In general, the levels near the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band function as trap levels for holes and electrons, respectively. Therefore, in the Si nanoparticles 18 doped with Hf, Pore coexistence is possible. Here, in a trap type flash memory such as a MONOS or NC memory, when a sufficiently small number of holes are allowed to coexist with electrons, charge retention characteristics are improved. This mechanism is because when the trapped electrons escape through the insulating film, the holes are similarly removed, so that the charge is compensated.

よって、本実施の形態においても、HfをSiナノ粒子18に添加することで、電荷捕獲効率が上がり電荷保持特性を向上させることが可能である。また、Hf添加による正孔のトラップサイトの存在によって、消去側での閾値ウィンドウが大きくなるという効果も得られる。   Therefore, also in the present embodiment, by adding Hf to the Si nanoparticles 18, the charge trapping efficiency can be improved and the charge retention characteristics can be improved. In addition, the presence of a hole trap site due to the addition of Hf has the effect of increasing the threshold window on the erase side.

また、本実施の形態においては、Siナノ粒子18表面にSiOである酸化層18aが形成されている。第一原理計算の結果によると、SiO中のHfは正のエネルギーを持ち不安定である一方、Si中では負のエネルギーを持ち、SiO中よりも安定に存在できる。したがって、このSiO層は例えばソース・ドレイン活性化アニールなどの熱処理によって、HfがSiナノ粒子18から外方拡散するのを防ぐ役割をもつ。よって、HfはSiナノ粒子18の内部に存在するとともに、Siナノ粒子18とSiO層界面にもパイルアップする。 Further, in this embodiment, oxide layer 18a is SiO 2 on Si nanoparticle 18 surface is formed. According to the results of the first principle calculation, Hf in SiO 2 has positive energy and is unstable, while it has negative energy in Si and can exist more stably than in SiO 2 . Therefore, this SiO 2 layer has a role of preventing Hf from diffusing out of the Si nanoparticles 18 by heat treatment such as source / drain activation annealing. Therefore, Hf exists inside the Si nanoparticles 18 and also piles up at the interface between the Si nanoparticles 18 and the SiO 2 layer.

図2は、SiOとSi界面にHfがパイルアップした場合の、Siのミッドギャップエネルギー以下の領域における、電子のエネルギーEに対する界面準位密度Ditの分布を示す図である。横軸が、電子のエネルギー、縦軸が界面準位密度Ditを示す。Siナノ粒子18表面のSiとSiO層との界面では、図2に示すような局在準位に電荷をトラップさせることが可能である。以上より、本実施の形態において、HfをSiナノ粒子18に添加し、Siナノ粒子18表面にSiOの酸化層18aを形成することで、Siナノ粒子18バルクおよびSiO層との界面の両方にトラップサイトが形成されることになる。 2, in the case where Hf to SiO 2 and Si interface were piled up, in the mid-gap energy following areas of Si, is a graph showing a distribution of interface state density D it for electrons of energy E. The horizontal axis represents the electron energy, and the vertical axis represents the interface state density Dit . At the interface between the Si and the SiO 2 layer on the surface of the Si nanoparticles 18, charges can be trapped at the localized levels as shown in FIG. As described above, in the present embodiment, Hf is added to the Si nanoparticles 18 to form the SiO 2 oxide layer 18a on the surface of the Si nanoparticles 18 so that the interface between the bulk of the Si nanoparticles 18 and the SiO 2 layer can be obtained. Trap sites will be formed on both.

なお、このように、Siナノ粒子18表面に、Siナノ粒子18の酸化層であるSiOが形成されることが好ましい。しかし、酸化層がなくとも、Siナノ粒子18バルクにトラップサイトがあることから、本実施の形態において、必ずしも、Siナノ粒子18の酸化層であるSiOが存在することが必須ではない。 As described above, it is preferable that SiO 2 that is an oxide layer of the Si nanoparticles 18 is formed on the surface of the Si nanoparticles 18. However, even if there is no oxide layer, since there are trap sites in the bulk of the Si nanoparticles 18, it is not always necessary that SiO 2 that is the oxide layer of the Si nanoparticles 18 exists in the present embodiment.

Siナノ粒子の粒径は、ナノオーダーであれば必ずしも限定されるものではないが、3nm以上10nm以下であることが望ましい。なお、ここでSiナノ粒子の粒径とは、平面TEMならびにAFMにより、100nm角の領域に存在する個々の粒子の長径と短径の平均値を求め、その値をさらに全ての粒子に対して平均化した値と定義する。   The particle size of the Si nanoparticles is not necessarily limited as long as it is nano-order, but is desirably 3 nm or more and 10 nm or less. Here, the particle size of the Si nanoparticles refers to the average value of the long and short diameters of individual particles existing in a 100 nm square region by plane TEM and AFM, and the value is further calculated for all particles. Defined as an averaged value.

3nm未満になると、室温でクローンブロッケード現象が顕著になり、Siナノ粒子中に電子がトラップされなくなる恐れがあるからである。また10nmを超えると、現在使われているMONOSよりもEOTが増加するため、NCメモリのMONOSよりも微細化可能であるという特徴が損なわれてしまう。   If the thickness is less than 3 nm, the clonal blockade phenomenon becomes remarkable at room temperature, and electrons may not be trapped in the Si nanoparticles. On the other hand, if the thickness exceeds 10 nm, the EOT increases as compared to the MONOS currently used, so that the feature that it can be made smaller than the MONOS of the NC memory is lost.

そして、Siナノ粒子に含有されるHfの原子密度が2×1018cm−3以上1×1020cm−3以下であることが望ましい。Hfの原子密度は、TEMと組み合わせたエネルギー分散型X線(EDX)分析により測定可能である。高分解能TEMで観測される単一のナノ粒子に電子線を照射することで得られるEDXスペクトルからナノ粒子中のHfの原子密度を求め、これを複数のナノ粒子に対して繰り返し、その平均の組成を求める。 And it is desirable that the atomic density of Hf contained in the Si nanoparticles is 2 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less. The atomic density of Hf can be measured by energy dispersive X-ray (EDX) analysis combined with TEM. The atomic density of Hf in a nanoparticle is determined from an EDX spectrum obtained by irradiating an electron beam to a single nanoparticle observed with a high-resolution TEM, and this is repeated for a plurality of nanoparticles. Determine the composition.

一般的に、Si−NCメモリでは、Siナノ粒子一個につき平均1つの電子がトラップされる。よって、HfをSiナノ粒子に添加することによる電荷のトラップ密度増加の効果を得るには、Siナノ粒子1個につきトラップされる電子が1個以上増加することが望ましい。そのために必要なHfの量を概算するためには、Hf原子を一個添加することによるトラップ可能な電荷量の増加を計算する必要がある。   In general, in an Si-NC memory, an average of one electron is trapped per Si nanoparticle. Therefore, in order to obtain the effect of increasing the charge trap density by adding Hf to the Si nanoparticles, it is desirable to increase one or more electrons trapped per Si nanoparticle. In order to estimate the amount of Hf required for this purpose, it is necessary to calculate the increase in the amount of charge that can be trapped by adding one Hf atom.

HfのSi中におけるサイトによってバンドギャップ中に形成される局在準位の数および一つの局在準位が収容可能な電子・正孔の数が異なるため、Hf原子一個に対するトラップ可能な電荷量も異なる。ここではHf原子一個に対し少なくとも一つの電子をトラップすることが可能であるという効果に対して概算する。Siナノ粒子の直径を10nmとした場合には、原子密度2×1018cm−3のHfを添加することでSiナノ粒子に対して一個以上の電子をトラップする効果が表れる。よって、Siナノ粒子に含有されるHfの原子密度が2×1018cm−3以上であることが望ましい。原子密度が7×1019cm−3以上であれば、直径3nmのSiナノ粒子に対して一個以上の電子をトラップする効果が表れるためより望ましい。 Since the number of localized levels formed in the band gap and the number of electrons / holes that can be accommodated by one localized level differs depending on the site in Hf in Si, the amount of charge that can be trapped for one Hf atom Is also different. Here, the effect of being able to trap at least one electron for one Hf atom is approximated. When the diameter of the Si nanoparticles is 10 nm, the effect of trapping one or more electrons with respect to the Si nanoparticles by adding Hf with an atomic density of 2 × 10 18 cm −3 appears. Therefore, it is desirable that the atomic density of Hf contained in the Si nanoparticles is 2 × 10 18 cm −3 or more. An atomic density of 7 × 10 19 cm −3 or more is more preferable because an effect of trapping one or more electrons with respect to Si nanoparticles having a diameter of 3 nm appears.

Hfの添加量を増加させることで電荷のトラップサイトを増加させることが可能である。後述のように、本実施の形態のプロセスにおいては、熱処理によりHfをSi中へ拡散させている。したがって、添加量がある程度まで増加するとHfとSiの固相反応により、Siナノ粒子の一部がシリサイド化する可能性がある。   It is possible to increase the number of charge trap sites by increasing the amount of Hf added. As will be described later, in the process of the present embodiment, Hf is diffused into Si by heat treatment. Therefore, when the addition amount increases to some extent, a part of Si nanoparticles may be silicided due to a solid phase reaction between Hf and Si.

固相反応によるシリサイド化においては、Siナノ粒子全体を均一にシリサイド化させることは困難であり、ボイドが発生する可能性が高い。また、Hfシリサイドは、HfリッチなHfSi相からSiリッチなHfSi相までをとる可能性があり、固相反応では単一の構造のみを形成するのは困難である。よって、現実的なHfシリサイドにおいては、いくつかの相が交じり合った状態になると考えられる。それぞれの相における仕事関数は大きく異なるため、電荷のトラップされやすさが各Siナノ粒子によって異なることになり、全てのSiナノ粒子に均一に書き込みを行うことが困難になる。 In silicidation by solid phase reaction, it is difficult to uniformly silicidize the entire Si nanoparticles, and there is a high possibility that voids are generated. In addition, Hf silicide may take from Hf-rich Hf 2 Si phase to Si-rich HfSi 2 phase, and it is difficult to form only a single structure by solid-phase reaction. Therefore, it is considered that in a realistic Hf silicide, several phases are mixed. Since the work functions in the respective phases are greatly different, the charge trapping susceptibility varies depending on each Si nanoparticle, and it becomes difficult to uniformly write all the Si nanoparticles.

したがって、Hf添加に際しては、シリサイド化によってナノ粒子のバンド構造を変えない程度にHf原子を孤立させる必要がある。この観点から、Siナノ粒子に含有されるHfの原子密度が1×1020cm−3以下であることが望ましい。 Therefore, when adding Hf, it is necessary to isolate Hf atoms to such an extent that silicidation does not change the band structure of the nanoparticles. From this viewpoint, it is desirable that the atomic density of Hf contained in the Si nanoparticles is 1 × 10 20 cm −3 or less.

次に、本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法について説明する。本実施の形態の不揮発性半導体メモリの製造方法は、第1導電型の半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、第1絶縁膜の上に半導体粒子を形成する工程と、半導体粒子表面にHf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する金属層を形成する工程と、金属層に含有される元素を熱処理により半導体粒子中に拡散する工程と、金属層を酸化することで第2絶縁膜を形成する工程と、第2絶縁膜の上に制御ゲート電極を形成する工程と、半導体基板にソース・ドレイン領域を形成する工程と、を有する。   Next, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment will be described. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment includes a step of forming a first insulating film on a first conductivity type semiconductor substrate, a step of forming semiconductor particles on the first insulating film, and a semiconductor particle Forming a metal layer containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y on the surface, and diffusing the elements contained in the metal layer into the semiconductor particles by heat treatment A step of forming a second insulating film by oxidizing the metal layer, a step of forming a control gate electrode on the second insulating film, a step of forming source / drain regions in the semiconductor substrate, Have

ここでは、図1に示す不揮発性半導体メモリの製造方法を例に説明する。図3から図8は、本実施の形態のメモリセルの製造工程を示す断面図である。なお、図5から図8においては、図1と同様(a)はビット線に平行な方向の断面図、(b)はワード線に平行な方向の断面図を示している。   Here, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor memory shown in FIG. 1 will be described as an example. 3 to 8 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the memory cell of the present embodiment. 5 to 8, as in FIG. 1, (a) shows a cross-sectional view in the direction parallel to the bit line, and (b) shows a cross-sectional view in the direction parallel to the word line.

まず、図3に示すように、p型シリコン基板10の表面に、トンネル絶縁膜16となる熱酸化SiO膜を3〜10nm形成する。ここで、トンネル絶縁膜16は、CVD法などで形成されるEOT:3〜10nmのSiONあるいはONO膜であっても構わない。 First, as shown in FIG. 3, a thermally oxidized SiO 2 film to be a tunnel insulating film 16 is formed on the surface of the p-type silicon substrate 10 to 3 to 10 nm. Here, the tunnel insulating film 16 may be an EOT: 3 to 10 nm SiON or ONO film formed by a CVD method or the like.

次に、トンネル絶縁膜16上に、LPCVD法などにより直径が3nm〜10nmのSiナノ粒子18を面密度:1×1012cm−2以上で形成する。Siナノ粒子18の面密度は、100nm角の領域で平面TEM像を観察し、粒子の数をカウントした上で、面密度に換算することで求める。次にスパッタ法やPVD法、もしくは電子ビーム蒸着法などによりSiナノ粒子18の上に0.5nmのHfメタル層(Hf金属層)32を形成する。 Next, Si nanoparticles 18 having a diameter of 3 nm to 10 nm are formed on the tunnel insulating film 16 at a surface density of 1 × 10 12 cm −2 or more by LPCVD or the like. The surface density of the Si nanoparticles 18 is obtained by observing a planar TEM image in a 100 nm square region, counting the number of particles, and then converting the surface density. Next, a 0.5 nm Hf metal layer (Hf metal layer) 32 is formed on the Si nanoparticles 18 by sputtering, PVD, or electron beam evaporation.

次に、図4に示すように、窒素雰囲気などの不活性ガス雰囲気中で700℃〜1000℃、10〜60秒のアニールを施す。ここでは、例えば800℃30秒の熱処理を施す。上述の第一原理計算の結果で示したように、HfはSi中へは拡散しやすいが、SiO中へは比較的拡散しにくい性質をもつため、この熱処理により、Siナノ粒子18上のHfメタル層32の大部分は、Siナノ粒子18内部に拡散する。次に酸化性雰囲気での熱処理により余剰のHfメタル層32を完全に酸化することで、HfO層20aが形成される。同時に、Siナノ粒子18がHfO層20a越しに酸化され、酸化層18aとしてSiOが形成される。酸化層18aの存在により、その後の熱処理工程を経ても、HfはSiナノ粒子18の内部に閉じ込められる。 Next, as shown in FIG. 4, annealing is performed at 700 ° C. to 1000 ° C. for 10 to 60 seconds in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere. Here, for example, heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 seconds. As shown in the result of the first principle calculation described above, Hf is easily diffused into Si but relatively difficult to diffuse into SiO 2 . Most of the Hf metal layer 32 diffuses into the Si nanoparticles 18. Next, the HfO 2 layer 20a is formed by completely oxidizing the excess Hf metal layer 32 by heat treatment in an oxidizing atmosphere. At the same time, the Si nanoparticles 18 are oxidized through the HfO 2 layer 20a, and SiO 2 is formed as the oxide layer 18a. Due to the presence of the oxide layer 18a, Hf is confined inside the Si nanoparticles 18 even after a subsequent heat treatment step.

続いて、図5に示すように、HfO層20aの上に10〜20nmのHfO膜をALD法やスパッタ法、電子ビーム法などで形成し、HfO層20aと合わせてブロック絶縁膜20が形成される。ここで、HfO層20aの上に成膜する絶縁膜はSiO膜、Al膜でも構わず、この場合にはブロック絶縁膜20はHfO層20aとの積層膜になる。 Subsequently, as shown in FIG. 5, ALD or sputtering a HfO 2 film 10~20nm on the HfO 2 layer 20a, formed by electron beam method, a block insulating film 20 together with the HfO 2 layer 20a Is formed. Here, the insulating film formed on the HfO 2 layer 20a may be an SiO 2 film or an Al 2 O 3 film. In this case, the block insulating film 20 is a laminated film with the HfO 2 layer 20a.

次に、素子分離のためのマスク材34をCVD法により堆積し、その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、マスク材34、ブロック絶縁20、Siナノ粒子18、トンネル絶縁膜16を順次エッチング加工し、さらにシリコン基板10の露出領域をエッチングして、深さ60nm程度の素子分離溝36を形成する。   Next, a mask material 34 for element isolation is deposited by the CVD method, and then the mask material 34, the block insulation 20, the Si nanoparticles 18, and the tunnel insulating film by the RIE method using a resist mask (not shown). 16 are sequentially etched, and the exposed region of the silicon substrate 10 is further etched to form an element isolation trench 36 having a depth of about 60 nm.

次に、図6に示すように、全面に素子分離領域となるシリコン酸化膜38を堆積して、素子分離溝36を完全に埋め込み、その後、表面部分のシリコン酸化膜38をCMP法で除去して、表面を平坦化する。このとき、素子分離領域30に用いる材料はシリコン酸化膜に限定するものではなく、シリコンと酸素を含む絶縁体であれば良く、例えば、シリコン酸窒化膜であっても良い。   Next, as shown in FIG. 6, a silicon oxide film 38 to be an element isolation region is deposited on the entire surface to completely fill the element isolation groove 36, and then the silicon oxide film 38 on the surface portion is removed by a CMP method. To flatten the surface. At this time, the material used for the element isolation region 30 is not limited to the silicon oxide film, and may be an insulator containing silicon and oxygen, for example, a silicon oxynitride film.

次に、図7に示すように、露出したマスク材34を選択的にエッチング除去した後、シリコン酸化膜38の露出表面を希フッ酸溶液でエッチング除去し、シリコン酸化膜38とブロック絶縁膜20の表面を平坦化する。平坦面を形成後、制御ゲート電極22として、全面にn+ポリシリコンもしくはTaNなどのメタルをスパッタ法などにより100nm形成する。続いて、素子分離のためのマスク材24をCVD法により堆積する。   Next, as shown in FIG. 7, after the exposed mask material 34 is selectively removed by etching, the exposed surface of the silicon oxide film 38 is removed by etching with a diluted hydrofluoric acid solution, and the silicon oxide film 38 and the block insulating film 20 are removed. Flatten the surface. After forming the flat surface, as the control gate electrode 22, a metal such as n + polysilicon or TaN is formed to 100 nm by sputtering or the like on the entire surface. Subsequently, a mask material 24 for element isolation is deposited by a CVD method.

この後、図8に示すように、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、マスク材24、制御ゲート電極22、ブロック絶縁膜20、Siナノ粒子18、トンネル絶縁膜16を順次エッチング加工して、ワード線に沿った方向のスリット部40を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 8, the mask material 24, the control gate electrode 22, the block insulating film 20, the Si nanoparticles 18, and the tunnel insulating film 16 are sequentially etched by RIE using a resist mask (not shown). The slit portion 40 is formed in the direction along the word line by processing.

最後に、図1に示したように、露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜26をCVD法で形成後、シリコン基板10に対してイオン注入法を用いてn型のソース・ドレイン領域12を形成し、さらに、全面を覆うように層間絶縁膜28をCVD法で形成する。その後は、周知の方法で配線層等を形成して不揮発性半導体メモリが完成する。   Finally, as shown in FIG. 1, a silicon oxide film 26 called an electrode sidewall oxide film is formed on the exposed surface by a CVD method, and then an n-type source / drain region is formed on the silicon substrate 10 using an ion implantation method. 12, and an interlayer insulating film 28 is formed by CVD so as to cover the entire surface. Thereafter, a wiring layer and the like are formed by a well-known method to complete the nonvolatile semiconductor memory.

なお、Hfメタル層32を形成する際に、Hfをトンネル絶縁膜16中に導入し、その後、HfをSiナノ粒子18に拡散させる熱処理により、Hfをシリコン基板10とトンネル絶縁膜16との界面まで拡散させることが望ましい。Hfをトンネル絶縁膜16中に導入することは、例えば、Hfメタル層32を電子ビーム蒸着法で形成する際のエネルギーを制御することで可能である。また、Hfをシリコン基板10とトンネル絶縁膜16との界面まで拡散させることは熱処理条件の調整により可能となる。熱的に不安定なトンネル絶縁膜16中のHfはシリコン基板10まで熱処理により拡散しやすい。また、Hfメタル層32中の一部のHfも熱処理条件の調整により、トンネル酸化膜20越しにシリコン基板10方向に拡散する。   Note that when the Hf metal layer 32 is formed, Hf is introduced into the tunnel insulating film 16, and then Hf is diffused into the Si nanoparticles 18, whereby Hf is interfaced between the silicon substrate 10 and the tunnel insulating film 16. It is desirable to diffuse to For example, Hf can be introduced into the tunnel insulating film 16 by controlling the energy when the Hf metal layer 32 is formed by the electron beam evaporation method. Further, it is possible to diffuse Hf to the interface between the silicon substrate 10 and the tunnel insulating film 16 by adjusting the heat treatment conditions. Hf in the thermally unstable tunnel insulating film 16 is likely to diffuse to the silicon substrate 10 by heat treatment. Further, part of Hf in the Hf metal layer 32 is also diffused in the direction of the silicon substrate 10 through the tunnel oxide film 20 by adjusting the heat treatment conditions.

このHfのシリコン基板10への拡散により、製造される不揮発性メモリの信頼性を向上させることが可能となる。   This diffusion of Hf into the silicon substrate 10 can improve the reliability of the manufactured nonvolatile memory.

一般に、トンネル絶縁膜を構成するSiOやSiONとSi基板の界面には、Pセンターと呼ばれる欠陥が存在する。通常のメモリ形成プロセスにおいては、例えば、電極側壁酸化膜や層間絶縁膜形成などの工程において、CVDプロセスを用いるため、Pセンターが水素で終端されている。一方、メモリセルへの書き込み・消去の繰り返しにより、Pセンターから外れた水素がトンネル膜に欠陥サイトを形成し、SILC(Stress Induced Leakage Current)の原因となることが問題となっている。 Generally, the interface between the SiO 2 and SiON and Si substrate constituting the tunnel insulating film, there are defects such as P b centers. In normal memory formation process, for example, in the process, such as an electrode sidewall oxide film or an interlayer insulating film formed, for using the CVD process, P b centers are terminated with hydrogen. On the other hand, the repetition of writing and erasing the memory cell, the defect site is formed in the hydrogen tunneling film deviated from P b centers, may cause SILC (Stress Induced Leakage Current) in question.

図9はSi基板上に厚さ4nmのSiO膜を形成し、その上に電子ビーム蒸着法により0.5nmのHfを成膜した試料およびその後窒素中で800℃30秒の成膜後熱処理を施した試料のSIMSプロファイルである。熱処理を施すことで、Si基板およびSiO中のHfは減少している。上述の第一原理計算の結果を合わせて考慮すると、Si基板中のHfはHfの存在しないSi基板裏面側に拡散する一方、SiO中のHfは不安定なのでSi基板側もしくはSiO表面側に拡散したと考えられる。 FIG. 9 shows a sample in which a SiO 2 film having a thickness of 4 nm is formed on a Si substrate, a 0.5 nm Hf film is formed thereon by electron beam evaporation, and then a post-deposition heat treatment at 800 ° C. for 30 seconds in nitrogen. It is a SIMS profile of the sample which gave. By performing the heat treatment, Hf in the Si substrate and SiO 2 is reduced. Considering the results of the above first principle calculation together, Hf in the Si substrate diffuses to the back side of the Si substrate where no Hf exists, whereas Hf in SiO 2 is unstable, so the Si substrate side or the SiO 2 surface side It is thought that it has spread.

図10にトンネル絶縁膜とSi基板界面にHfが存在する場合としない試料を電子スピン共鳴法(ESR)により観測したときの、Pセンターのシグナルを示す。Hfが存在しないときに観測されるPセンターは、界面にHfを導入することでほぼ消失することが分かる。したがって、Hfを界面に拡散させることで、界面においてHが吸着可能なサイトが減少する。結果として、界面におけるHの量が減少し、SILCを抑制することが可能である。よって、不揮発性メモリの信頼性を向上させることが可能となる。 Figure 10 when the sample and without the presence of Hf in the tunnel insulating film and the Si substrate interface was observed by an electron spin resonance method (ESR), shows the signal P b centers. P b centers observed when Hf is not present, it can be seen that almost disappeared by introducing Hf in the interface. Therefore, by diffusing Hf to the interface, the sites where H can be adsorbed at the interface decrease. As a result, the amount of H at the interface is reduced, and SILC can be suppressed. Therefore, the reliability of the nonvolatile memory can be improved.

本実施の形態においては、Siナノ粒子に含有させる元素としてHfを例に説明した。しかし、Siナノ粒子に含有させる元素はHfに限るものではなく、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yといったd軌道を有し、かつd軌道を占有する電子数がHfと近い金属元素であれば、Hfと比較的近い性質を有するため、同等の作用・効果が得られると考えられる。   In the present embodiment, Hf has been described as an example of the element contained in the Si nanoparticles. However, the element to be included in the Si nanoparticles is not limited to Hf, but is a metal element having a d orbital such as Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y and the number of electrons occupying the d orbital being close to Hf. If it exists, since it has a property comparatively close to Hf, it is thought that an equivalent effect | action and effect are acquired.

また、本実施の形態においては、半導体粒子としてSiナノ粒子を例に説明したが、Ge粒子あるいはSiGe1−x(0<x<1)粒子を適用しても、同等の作用・効果が得られると考えられる。 In the present embodiment, the Si nanoparticles are described as an example of the semiconductor particles. However, even if Ge particles or Si x Ge 1-x (0 <x <1) particles are applied, the same operation and effect are achieved. Can be obtained.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態の不揮発性半導体メモリは、電荷蓄積層として、Siナノ粒子と、MONOS等で用いられる電荷トラップ膜、例えば、Hfの酸窒化物であるHfONとを組み合わせた膜とを有することを特徴とする。
(Second Embodiment)
The nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention is a film in which Si nanoparticles and a charge trapping film used in MONOS or the like, for example, HfON, which is an oxynitride of Hf, are combined as a charge storage layer. It is characterized by having.

図11は、本実施の形態の不揮発性半導体メモリのSi−NCメモリセルの断面図である。図11(a)はビット線に平行な方向の断面図、図11(b)はワード線に平行な方向の断面図であり、図11(a)と図11(b)とは互いに直交する断面を示している。   FIG. 11 is a cross-sectional view of the Si-NC memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment. 11A is a cross-sectional view in a direction parallel to the bit line, FIG. 11B is a cross-sectional view in a direction parallel to the word line, and FIG. 11A and FIG. 11B are orthogonal to each other. A cross section is shown.

第1の実施の形態と異なり、Siナノ粒子18上に、ブロック絶縁膜20との間にHfONで構成される電荷トラップ膜42が形成されている。この構成により、Siナノ粒子18単独での電荷トラップに対し、電荷捕獲効率をさらに増加させることが可能である。   Unlike the first embodiment, a charge trap film 42 made of HfON is formed between the block insulating film 20 and the Si nanoparticles 18. With this configuration, it is possible to further increase the charge trapping efficiency relative to the charge trap of the Si nanoparticles 18 alone.

図11のメモリセルの製造方法に関しては、基本的には、第1の実施の形態の製造方法(図3〜図8)で説明したプロセスを適用できる。以下では、第1の実施の形態の製造方法とは異なる部分のみを示す。第1の実施の形態と同様に、図3のHfメタル層32を酸化して図4に示したHfO層20aを形成したのち、HfO層20aを窒化することで電荷トラップ膜42としてHfON膜が得られる。すなわち、Hfメタル層32を酸窒化することで、Hfの酸窒化物を形成する。その後は、電荷トラップ膜42上にブロック絶縁膜20を形成し、第1の実施の形態の製造方法と同様の方法で図11に示すメモリセルを製造することが可能である。 As for the method of manufacturing the memory cell of FIG. 11, basically, the process described in the manufacturing method of the first embodiment (FIGS. 3 to 8) can be applied. Below, only the parts different from the manufacturing method of the first embodiment are shown. As in the first embodiment, the Hf metal layer 32 of FIG. 3 is oxidized to form the HfO 2 layer 20a shown in FIG. 4, and then the HfO 2 layer 20a is nitrided to form the HfON 2 layer as the charge trapping film 42. A membrane is obtained. That is, the Hf oxynitride is formed by oxynitriding the Hf metal layer 32. Thereafter, the block insulating film 20 is formed on the charge trapping film 42, and the memory cell shown in FIG. 11 can be manufactured by the same method as the manufacturing method of the first embodiment.

(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態の不揮発性半導体メモリは、トンネル絶縁膜の最上面をHfSiO膜とすることを特徴とする。第1および第2の実施形態においては、トンネル絶縁膜はSiO膜、SiONあるいはONO膜である場合を説明したが、SiO膜およびONO膜に限ってはその上にHfSiO(ハフニウムシリケート)膜が積層されていても構わない。
(Third embodiment)
The nonvolatile semiconductor memory according to the third embodiment of the present invention is characterized in that the uppermost surface of the tunnel insulating film is an HfSiO film. In the first and second embodiments, the description has been given of the case where the tunnel insulating film is a SiO 2 film, a SiON or an ONO film. However, the HfSiO (hafnium silicate) film is only provided on the SiO 2 film and the ONO film. May be laminated.

図12は、本実施の形態の不揮発性半導体メモリのメモリセルの断面図である。図12(a)はビット線に平行な方向の断面図、図12(b)はワード線に平行な方向の断面図であり、図12(a)と図12(b)とは互いに直交する断面を示している。   FIG. 12 is a cross-sectional view of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment. 12A is a cross-sectional view in a direction parallel to the bit line, FIG. 12B is a cross-sectional view in a direction parallel to the word line, and FIG. 12A and FIG. 12B are orthogonal to each other. A cross section is shown.

第1の実施の形態と異なり、トンネル絶縁膜16の最上面がHfSiO膜44となっている。SiO膜およびONO膜の最上面をHfSiO膜化することで、伝導帯上端のエネルギーが低下するため、電子に対するバリアハイトが低下し、トンネル膜の書き込み効率を上昇させる効果が得られる。 Unlike the first embodiment, the top surface of the tunnel insulating film 16 is an HfSiO film 44. By making the uppermost surfaces of the SiO 2 film and the ONO film into an HfSiO film, the energy at the upper end of the conduction band is lowered, so that the barrier height against electrons is lowered and the effect of increasing the writing efficiency of the tunnel film can be obtained.

図12のメモリセルの製造方法に関しては、基本的には、第1の実施の形態の製造方法(図3〜図8)で説明したプロセスを適用できる。以下では、第1の実施の形態の製造方法とは異なる部分のみを示す。トンネル絶縁膜16としては、SiO膜あるいはONO膜を形成する。その後、第1の実施の形態と同様に図3に示したHfメタル層32までを形成する。 Regarding the method of manufacturing the memory cell of FIG. 12, basically, the process described in the manufacturing method (FIGS. 3 to 8) of the first embodiment can be applied. Below, only the parts different from the manufacturing method of the first embodiment are shown. As the tunnel insulating film 16, an SiO 2 film or an ONO film is formed. Thereafter, up to the Hf metal layer 32 shown in FIG. 3 is formed in the same manner as in the first embodiment.

この時点では、トンネル絶縁膜16上層のSiOにはHfが存在している。したがって、この後、酸素中で800℃30秒の熱処理を施すことで、トンネル絶縁膜16中のSiO層中に存在するHfがSiO層とシリケート化反応を起こし、HfSiO膜44が形成される。このとき同時に、Siナノ粒子18の表面が酸化され、またHfメタル層32はHfO層20aに変化する。その後は、第1の実施の形態の製造方法と同様の方法で図12に示すメモリセルを製造することが可能である。 At this point, Hf is present in the SiO 2 layer above the tunnel insulating film 16. Therefore, after that, by performing a heat treatment at 800 ° C. for 30 seconds in oxygen, Hf present in the SiO 2 layer in the tunnel insulating film 16 causes a silicate reaction with the SiO 2 layer, and the HfSiO film 44 is formed. The At the same time, the surface of the Si nanoparticles 18 is oxidized, and the Hf metal layer 32 is changed to the HfO 2 layer 20a. Thereafter, the memory cell shown in FIG. 12 can be manufactured by the same method as the manufacturing method of the first embodiment.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to these, In the category of the summary of the invention as described in a claim, it can change variously. In addition, the present invention can be variously modified without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments.

第1の実施の形態のメモリセルの断面図。1 is a cross-sectional view of a memory cell according to a first embodiment. 電子のエネルギーEに対する界面準位密度Ditの分布を示す図。It shows the distribution of the interface state density D it for electrons of energy E. 第1の実施の形態のメモリセルの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のメモリセルの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のメモリセルの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のメモリセルの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のメモリセルの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell of 1st Embodiment. 第1の実施の形態のメモリセルの製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory cell of 1st Embodiment. SIMSプロファイルを示す図。The figure which shows a SIMS profile. 電子スピン共鳴法による測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result by an electron spin resonance method. 第2の実施の形態のメモリセルの断面図。Sectional drawing of the memory cell of 2nd Embodiment. 第3の実施の形態のメモリセルの断面図。Sectional drawing of the memory cell of 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 シリコン基板
12 ソース・ドレイン領域
14 チャネル領域
16 トンネル絶縁膜
18 Siナノ粒子
18a 酸化層
20 ブロック絶縁膜
20a HfO
22 制御ゲート電極
24 マスク材
26 シリコン酸化膜
28 層間絶縁膜
30 素子分離領域
32 Hfメタル層
34 マスク材
36 素子分離溝
38 シリコン酸化膜
40 スリット部
42 電荷トラップ膜
44 HfSiO膜
10 silicon substrate 12 source / drain region 14 channel region 16 tunnel insulating film 18 Si nanoparticle 18a oxide layer 20 block insulating film 20a HfO 2 layer 22 control gate electrode 24 mask material 26 silicon oxide film 28 interlayer insulating film 30 element isolation region 32 Hf metal layer 34 Mask material 36 Element isolation trench 38 Silicon oxide film 40 Slit portion 42 Charge trap film 44 HfSiO film

Claims (12)

第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板内に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、
前記ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域と、
前記チャネル領域上に形成される第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する半導体粒子と、
前記半導体粒子上に形成される第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成される制御ゲート電極と、
を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A source / drain region of a second conductivity type provided in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other;
A channel region formed between the source / drain regions;
A first insulating film formed on the channel region;
Semiconductor particles formed on the first insulating film and containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y;
A second insulating film formed on the semiconductor particles;
A control gate electrode formed on the second insulating film;
A non-volatile semiconductor memory comprising:
前記半導体粒子表面に、前記半導体粒子の酸化層が形成されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ。   The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein an oxide layer of the semiconductor particles is formed on the surface of the semiconductor particles. 前記第2絶縁膜は、前記半導体粒子に含有される前記元素の酸化物であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の不揮発性半導体メモリ。   The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein the second insulating film is an oxide of the element contained in the semiconductor particles. 前記半導体粒子の粒径が3nm以上10nm以下であり、前記半導体粒子に含有される前記元素の原子密度が2×1018cm−3以上1×1020cm−3以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか一項に記載の不揮発性半導体メモリ。 The particle size of the semiconductor particles is 3 nm or more and 10 nm or less, and the atomic density of the element contained in the semiconductor particles is 2 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 10 20 cm −3 or less. The nonvolatile semiconductor memory according to any one of claims 1 to 3. 前記半導体粒子がSi粒子であることを特徴とする請求項1ないし請求項4いずれか一項に記載の不揮発性半導体メモリ。   The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein the semiconductor particles are Si particles. 第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板内に互いに離間して設けられた第2導電型のソース・ドレイン領域と、
前記ソース・ドレイン領域間に形成されるチャネル領域と、
前記チャネル領域上に形成される第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する半導体粒子と、
前記半導体粒子上に形成され、前記半導体粒子に含有される前記元素の酸窒化物である第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成される第3絶縁膜と、
前記第3絶縁膜上に形成される制御ゲート電極と、
を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A source / drain region of a second conductivity type provided in the semiconductor substrate so as to be spaced apart from each other;
A channel region formed between the source / drain regions;
A first insulating film formed on the channel region;
Semiconductor particles formed on the first insulating film and containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, and Y;
A second insulating film formed on the semiconductor particles and being an oxynitride of the element contained in the semiconductor particles;
A third insulating film formed on the second insulating film;
A control gate electrode formed on the third insulating film;
A non-volatile semiconductor memory comprising:
第1導電型の半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上に半導体粒子を形成する工程と、
前記半導体粒子表面にHf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する金属層を形成する工程と、
前記金属層に含有される前記元素を熱処理により前記半導体粒子中に拡散する工程と、
前記金属層を酸化することで第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜の上に制御ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板にソース・ドレイン領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリの製造方法。
Forming a first insulating film on a first conductivity type semiconductor substrate;
Forming semiconductor particles on the first insulating film;
Forming a metal layer containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, Y on the surface of the semiconductor particles;
Diffusing the elements contained in the metal layer into the semiconductor particles by heat treatment;
Forming a second insulating film by oxidizing the metal layer;
Forming a control gate electrode on the second insulating film;
Forming source / drain regions in the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory, comprising:
前記第2絶縁膜を形成する工程において、前記半導体粒子表面に、前記半導体粒子の酸化層を形成することを特徴とする請求項7記載の不揮発性半導体メモリの製造方法。   8. The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory according to claim 7, wherein, in the step of forming the second insulating film, an oxide layer of the semiconductor particles is formed on the surface of the semiconductor particles. 前記熱処理が不活性ガス雰囲気中で行われることを特徴とする請求項7または請求項8記載の不揮発性半導体メモリの製造方法。   9. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory according to claim 7, wherein the heat treatment is performed in an inert gas atmosphere. 前記金属層を形成する工程において前記元素を前記第1絶縁膜に導入し、
前記熱処理により前記元素を前記半導体基板と前記第1絶縁膜との界面まで拡散させること
を特徴とする請求項7ないし請求項9いずれか一項に記載の不揮発性半導体メモリの製造方法。
Introducing the element into the first insulating film in the step of forming the metal layer;
10. The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory according to claim 7, wherein the element is diffused to an interface between the semiconductor substrate and the first insulating film by the heat treatment. 11.
前記半導体粒子がSi粒子であることを特徴とする請求項7ないし請求項10いずれか一項に記載の不揮発性半導体メモリの製造方法。   The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory according to claim 7, wherein the semiconductor particles are Si particles. 第1導電型の半導体基板上に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1絶縁膜上に半導体粒子を形成する工程と、
前記半導体粒子表面にHf、Zr、Ti、Ta、Nb、W、Yのグループから選ばれる少なくとも一種の元素を含有する金属層を形成する工程と、
前記金属層に含有される前記元素を熱処理により前記半導体粒子中に拡散する工程と、
前記金属層を酸窒化することで第2絶縁膜を形成する工程と、
前記第2絶縁膜の上に第3絶縁膜を形成する工程と、
前記第3絶縁膜の上に制御ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板にソース・ドレイン領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする不揮発性半導体メモリの製造方法。
Forming a first insulating film on a first conductivity type semiconductor substrate;
Forming semiconductor particles on the first insulating film;
Forming a metal layer containing at least one element selected from the group of Hf, Zr, Ti, Ta, Nb, W, Y on the surface of the semiconductor particles;
Diffusing the elements contained in the metal layer into the semiconductor particles by heat treatment;
Forming a second insulating film by oxynitriding the metal layer;
Forming a third insulating film on the second insulating film;
Forming a control gate electrode on the third insulating film;
Forming source / drain regions in the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a non-volatile semiconductor memory, comprising:
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JP2014143418A (en) * 2013-01-24 2014-08-07 Freescale Semiconductor Inc Method of making non-volatile memory (nvm) cell structure
JP2016516286A (en) * 2013-03-13 2016-06-02 学校法人沖縄科学技術大学院大学学園 Metal-induced nanocrystallization of amorphous semiconductor quantum dots

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