JP2001237330A

Involatile semconductor storage and method of operating the same

Abstract

[Task] Improves hot electron (HE) injection efficiency when writing to MONOS type memory cells, and improves scaling.

Solution.A gate insulating film composed of a channel forming region provided on the surface of the substrate, first and second impurity regions SBLi, SBLi + 1 serving as a source or drain during operation across the channel forming region, and a plurality of films on the channel forming region. 10. Gate electrode WL on the gate insulating film, in-plane facing the channel formation region and discrete in the film thickness direction, formed in the gate insulating film 10, and hot carriers excited by the applied electric field during operation are injected. It has a charge storage means (carrier trap). The bottom insulating film 11 constituting the gate insulating film 10 includes a dielectric film exhibiting FN electrical conduction characteristics by making the energy barrier between the bottom insulating film 11 and the substrate smaller than the energy barrier between silicon dioxide and silicon. ..

JP2001237330A, drawing sheet 1
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49 claims: 6 independent, 43 dependent

  1. 1
    【特許請求の範囲】 【請求項1】基板と、 当該基板の表面に設けられ半導体のチャネル形成領域と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純物領域と、 上記チャネル形成領域上に積層された複数の膜からなるゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記チャネル形成領域に対向した面内および膜厚方向に離散化されて上記ゲート絶縁膜内に形成され、動作時に印加電界により励起されたホットエレクトロンが注入される電荷蓄積手段とを有し、 上記ゲート絶縁膜を構成する最下層のボトム絶縁膜は、当該ボトム絶縁膜と上記基板とのエネルギー障壁を二酸化珪素とシリコンとのエネルギー障壁より小さくする誘電膜を含む不揮発性半導体記憶装置。
  2. 2
    【請求項2】上記ボトム絶縁膜は、当該ボトム絶縁膜と基板とのエネルギー障壁が二酸化珪素を窒化処理して形成した酸化窒化膜とシリコンとのエネルギー障壁より小さい誘電膜を含む請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 3
    【請求項3】上記酸化窒化膜の窒素含有率が10%以下である請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。
  4. 4
    【請求項4】書き込み状態または消去状態にあるとき、チャネルホットエレクトロン、バリスチックホットエレクトロン、2次衝突電離ホットエレクトロン、基板ホットエレクトロン、バンド間トンネル電流に起因したホットエレクトロンの何れかが、上記電荷蓄積手段に主として注入されている請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  5. 5
    【請求項5】上記ボトム絶縁膜に含まれる誘電膜が、ファウラーノルドハイム(FN)トンネリング電気伝導特性を示す請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  6. 6
    【請求項6】上記ボトム絶縁膜は、窒化シリコン膜、酸化窒化シリコン膜、酸化タンタル膜、酸化ジルコニア膜、酸化アルミニウム膜、酸化チタン膜、酸化ハフニウム膜、酸化バリウムストロンチウムチタン(BST:Ba X Sr X-1 TiO 3 )膜、酸化イットリウム膜の何れかを単独でまたは組み合わせて上記誘電膜として含む請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  7. 7
    【請求項7】上記ゲート絶縁膜を構成する膜として、プールフレンケル(PF)電気伝導特性を示す窒化膜または酸化窒化膜を上記ボトム絶縁膜上に有する請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  8. 8
    【請求項8】上記ゲート絶縁膜は、上記第1不純物領域側からホットエレクトロンが注入される第1領域と、 上記第2不純物領域側からホットエレクトロンが注入される第2領域と、 上記第1,第2領域間に挟まれ、ホットエレクトロンが注入されない第3領域とを有した請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  9. 9
    【請求項9】上記ゲート絶縁膜は、上記第1不純物領域側の第1領域と、 上記第2不純物領域側の第2領域と、 上記第1,第2領域間の第3領域とを有し、 上記電荷蓄積手段が上記第1,第2領域に形成され、 電荷蓄積手段の分布領域が上記第3領域を介して空間的に分離されている請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  10. 10
    【請求項10】上記第1,第2領域が複数の膜を積層した積層膜構造を有し、 上記第3領域が単一材料の絶縁膜からなる請求項9記載の不揮発性半導体記憶装置。
  11. 11
    【請求項11】上記第1および第2領域上に形成されたゲート電極と、 上記第3領域上に形成されたゲート電極が空間的に分離されている請求項9記載の不揮発性半導体記憶装置。
  12. 12
    【請求項12】上記チャネル形成領域、上記第1および第2不純物領域、上記電荷蓄積手段を含むゲート絶縁膜および上記ゲート電極を有するメモリトランジスタが、ワード方向とビット方向とに複数配置され、 複数のワード線と、 当該複数のワード線と電気的に絶縁された状態でそれぞれ交差する複数の共通線とを更に有し、 上記複数のワード線それぞれに、上記ゲート電極が複数接続され、 上記複数の共通線それぞれに、上記第1および/または第2不純物領域が複数結合されている請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  13. 13
    【請求項13】上記ゲート電極をワード方向で共通に接続するワード線と、 上記第1不純物領域をビット方向で共通に接続する第1共通線と、 上記第2不純物領域を共通に接続する第2共通線とを有する請求項12に記載の不揮発性半導体記憶装置。
  14. 14
    【請求項14】上記第1共通線が、上記第1不純物領域をビット方向で共通に接続する第1副線と、当該第1副線をビット方向で共通に接続する第1主線とから構成され、 上記第2共通線が、上記第2不純物領域を共通に接続する第2副線と、当該第2副線を共通に接続する第2主線とから構成され、 上記第1副線と上記第2副線との間に、上記複数のメモリトランジスタが並列接続されている請求項13記載の不揮発性半導体記憶装置。
  15. 15
    【請求項15】上記電荷蓄積手段は、すくなくとも外部との間で電荷の移動がない場合に、上記チャネル形成領域に対向する面全体としての導電性を持たない請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  16. 16
    【請求項16】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上のボトム絶縁膜と、 当該ボトム絶縁膜上の窒化膜または酸化窒化膜と、 当該窒化膜または酸化窒化膜上のトップ絶縁膜とからなる請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置。
  17. 17
    【請求項17】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上のボトム絶縁膜と、 当該ボトム絶縁膜上のトップ絶縁膜とからなる請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置。
  18. 18
    【請求項18】ボトム絶縁膜のSiHボンド密度が、上記トップ絶縁膜を構成しPF伝導特性を示す窒化膜のSiHボンド密度より低い請求項17記載の不揮発性半導体記憶装置。
  19. 19
    【請求項19】ボトム絶縁膜のSiHボンド密度が1×10 20 atms/mm 3 より低い請求項18記載の不揮発性半導体記憶装置。
  20. 20
    【請求項20】ボトム絶縁膜のSiHボンド密度が、上記トップ絶縁膜を構成しPF伝導特性を示す窒化膜のSiHボンド密度より1桁以上低い請求項19記載の不揮発性半導体記憶装置。
  21. 21
    【請求項21】上記ボトム絶縁膜が、上記チャネル形成領域上のバッファ酸化膜と、 当該バッファ酸化膜上に形成され、二酸化珪素より誘電率が大きな材料からなる誘電膜とからなる請求項17記載の不揮発性半導体記憶装置。
  22. 22
    【請求項22】上記ボトム絶縁膜が、上記チャネル形成領域上に形成され、二酸化珪素より誘電率が大きな材料の誘電膜と、 上記誘電膜上に形成された二酸化珪素膜とを含む請求項17記載の不揮発性半導体記憶装置。
  23. 23
    【請求項23】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上のボトム絶縁膜と、 上記電荷蓄積手段としてボトム絶縁膜上に形成され互いに絶縁された小粒径導電体とを含む請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置。
  24. 24
    【請求項24】上記小粒径導電体の粒径が10ナノメータ以下である請求項23記載の不揮発性半導体記憶装置。
  25. 25
    【請求項25】基板と、 当該基板の表面に設けられ半導体のチャネル形成領域と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純物領域と、 上記チャネル形成領域上に積層された複数の膜からなるゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記チャネル形成領域に対向した面内および膜厚方向に離散化されて上記ゲート絶縁膜内に形成され、動作時にチャネルホットエレクトロン、バリスチックホットエレクトロン、2次衝突電離ホットエレクトロン、基板ホットエレクトロンまたはバンド間トンネル電流に起因したホットエレクトロンが主に注入される電荷蓄積手段とを有し、 上記ゲート絶縁膜を構成する最下層のボトム絶縁膜が、二酸化珪素より誘電率が大きな材料からなる不揮発性半導体記憶装置。
  26. 26
    【請求項26】ボトム絶縁膜のSiHボンド密度が、上記トップ絶縁膜を構成しPF伝導特性を示す窒化膜のSiHボンド密度より低い請求項25記載の不揮発性半導体記憶装置。
  27. 27
    【請求項27】ボトム絶縁膜のSiHボンド密度が1×10 20 atms/mm 3 より低い請求項26記載の不揮発性半導体記憶装置。
  28. 28
    【請求項28】ボトム絶縁膜のSiHボンド密度が、上記トップ絶縁膜を構成しPF伝導特性を示す窒化膜のSiHボンド密度より1桁以上低い請求項27記載の不揮発性半導体記憶装置。
  29. 29
    【請求項29】基板と、 当該基板の表面に設けられ半導体のチャネル形成領域と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純物領域と、 上記チャネル形成領域上に積層された複数の膜からなるゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記チャネル形成領域に対向した面内および膜厚方向に離散化されて上記ゲート絶縁膜内に形成され、動作時にチャネルホットエレクトロン、バリスチックホットエレクトロン、2次衝突電離ホットエレクトロン、基板ホットエレクトロンまたはバンド間トンネル電流に起因したホットエレクトロンが主に注入される電荷蓄積手段とを有し、 上記ゲート絶縁膜は、上記第1不純物領域側の第1領域と、 上記第2不純物領域側の第2領域と、 上記第1,第2領域間の第3領域とを有し、 上記電荷蓄積手段が上記第1,第2領域に形成され、 電荷蓄積手段の分布領域が上記第3領域を介して空間的に分離されている不揮発性半導体記憶装置。
  30. 30
    【請求項30】上記第1,第2領域が複数の膜を積層した積層膜構造を有し、 上記第3領域が単一材料の絶縁膜からなる請求項29記載の不揮発性半導体記憶装置。
  31. 31
    【請求項31】基板と、 当該基板の表面に設けられ半導体のチャネル形成領域と、 当該チャネル形成領域を挟んで基板表面に形成され、動作時にソースまたはドレインとなる第1および第2不純物領域と、 上記チャネル形成領域上に積層された複数の膜からなるゲート絶縁膜と、 当該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、 上記チャネル形成領域に対向した面内および膜厚方向に離散化されて上記ゲート絶縁膜内に形成され、動作時にホットエレクトロンが主に注入される電荷蓄積手段とを有し、 上記ゲート絶縁膜を構成する最下層のボトム絶縁膜が、当該ボトム絶縁膜と上記基板とのエネルギー障壁を二酸化珪素とシリコンとのエネルギー障壁より小さくする誘電膜を含む不揮発性半導体記憶装置の動作方法であって、 書き込み時に上記第1および第2不純物領域間に印加する電圧を、書き込み速度を一定とし、かつ、上記ボトム絶縁膜を二酸化珪素とした場合より低くする不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  32. 32
    【請求項32】上記第1および第2不純物領域間の印加電圧を、3.3V以下とする請求項31記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  33. 33
    【請求項33】上記印加電圧を二酸化珪素と基板との伝導側でのエネルギー障壁より小さくする請求項31記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  34. 34
    【請求項34】上記第1,第2不純物領域のバイアス印加条件を逆にして再度、書き込みを行い、上記第1不純物領域側と第2不純物領域側のうち上記書き込み時とは反対の側からホットエレクトロンを上記電荷蓄積手段に注入する請求項31記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  35. 35
    【請求項35】上記第1不純物領域側から注入されたホットエレクトロンは、上記電荷蓄積手段の上記チャネル形成領域に対向した分布面内で、第1不純物領域側に局在して保持される請求項31記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  36. 36
    【請求項36】上記第1,第2不純物領域のバイアス印加方向を逆にして書き込みを行ったときに、上記第2不純物領域側から注入されたホットエレクトロンは、上記電荷蓄積手段の上記チャネル形成領域に対向した分布面内で、第2不純物領域側に局在して保持される請求項34記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  37. 37
    【請求項37】上記第1不純物領域側から注入されるホットエレクトロンの保持領域と、上記第2不純物領域側から注入されるホットエレクトロンの保持領域とが、上記ゲート絶縁膜内でホットエレクトロンが注入されない中間の領域を挟んでチャネル方向の両側に分離されている請求項36記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  38. 38
    【請求項38】読み出し時に、読み出し対象の蓄積電荷側の不純物領域がソースとなるように上記第1および第2不純物領域間に所定の読み出しドレイン電圧を印加し、上記ゲート電極に所定の読み出しゲート電圧を印加する請求項31記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  39. 39
    【請求項39】読み出し時に、上記第1および第2不純物領域から注入されたホットエレクトロンに基づく2ビット以上の多値データを、当該第1,第2不純物領域への電圧印加方向を変えて読み出す請求項34記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  40. 40
    【請求項40】消去時に、上記第1不純物領域側から注入され上記電荷蓄積手段に保持されている電荷を、直接トンネリングまたはFNトンネリングにより第1不純物領域側に引く抜く請求項31記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  41. 41
    【請求項41】消去時に、上記第1または第2不純物領域側から注入され上記電荷蓄積手段にチャネル方向の両側に分離されて保持されている電荷を、直接トンネリングまたはFNトンネリングにより個別にあるいは一括して基板側に引く抜く請求項34記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  42. 42
    【請求項42】消去時に、上記第1および第2不純物領域側から上記電荷蓄積手段にホットホールを注入する請求項34記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  43. 43
    【請求項43】上記電荷蓄積手段は、すくなくとも外部との間で電荷の移動がない場合に、上記チャネル形成領域に対向する面全体としての導電性を持たない請求項31記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  44. 44
    【請求項44】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上のボトム絶縁膜と、 当該ボトム絶縁膜上の窒化膜または酸化窒化膜と、 当該窒化膜または酸化窒化膜上のトップ絶縁膜とからなる請求項43記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  45. 45
    【請求項45】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上のボトム絶縁膜と、 当該ボトム絶縁膜上のトップ絶縁膜とからなる請求項43記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  46. 46
    【請求項46】上記ボトム絶縁膜が、上記チャネル形成領域上のバッファ酸化膜と、 当該バッファ酸化膜上に形成され、二酸化珪素より誘電率が大きな材料からなる膜とからなる請求項45記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  47. 47
    【請求項47】上記ボトム絶縁膜が、上記チャネル形成領域上に形成され、二酸化珪素より誘電率が大きな材料の誘電膜と、 上記誘電膜上に形成された二酸化珪素膜とを含む請求項46記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  48. 48
    【請求項48】上記ゲート絶縁膜は、上記チャネル形成領域上のボトム絶縁膜と、 上記電荷蓄積手段としてボトム絶縁膜上に形成され互いに絶縁された小粒径導電体とを含む請求項43記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
  49. 49
    【請求項49】上記小粒径導電体の粒径が10ナノメータ以下である請求項48記載の不揮発性半導体記憶装置の動作方法。
Independent claims49