JPH02106068A - 半導体不揮発性メモリ - Google Patents

半導体不揮発性メモリ

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JPH02106068A
JPH02106068A JP63260044A JP26004488A JPH02106068A JP H02106068 A JPH02106068 A JP H02106068A JP 63260044 A JP63260044 A JP 63260044A JP 26004488 A JP26004488 A JP 26004488A JP H02106068 A JPH02106068 A JP H02106068A
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ion implantation
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Takashi Osone
隆志 大曽根
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B20/00Read-only memory [ROM] devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B43/00EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
    • H10B43/30EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the memory core region

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  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体メモリ、特にゲート絶縁膜中に電荷を注
入・放出することによって制御された電荷量を、制御手
段を解除した後でも比較的長持間にわたり保持すること
によって不揮発性のメモリ効果を有する半導体不揮発性
メモリに関する。
従来の技術 第6図(a)に従来技術の不揮発性MIS形トランジス
タの1例を示す(特願昭46−67583号公報、昭和
46年9月3日出via>。半導体基板1の上面にトン
ネル効果での電荷の注入・放出を可能とする約3nmの
5in2膜2を形成し、複数個の離散的な約3nmの大
きさの非相互作用粒子3(例えば、半導体又は金属材料
からなり、具体。
的にはMo等の耐火性金属並びにptやAgの如き貴金
属)を真空蒸着法等で形成する。次に、約75nmの比
較的厚いS i02膜又はSi、N4膜やAe20.膜
5をCVD法等を用いて形成する。
6はゲート電極、8はソース領域又はドレイン領域であ
る。7はソース、ドレイン領域8とのオーミック・コン
タクトを形成する金属配線である。
特願昭46−67583の明細書には、絶縁膜2.5が
同一材料の単層膜である実施例として、イオン注入法で
金属もしくは半導体イオン(適当なイオン種としては、
I n ” + N b“が示されている)を注入した
場合が示されている。第6図(b)に実際の不揮発性メ
モリ効果の例が絶縁膜の容量に規格化された容量比C/
 Coがゲート電極6上の印加電圧を関数として示され
ている。この場合は、25nmのS iO2膜2,75
nmのAe 、O。
FN6の2層構造ゲート絶縁膜である。粒子3としては
、公称3.5nmの大きさのPt粒子である。点線は粒
子3がない場合を示し、極めて小さなヒステリシス効果
が観察された。実線は粒子3がある場合で大きなヒステ
リシス効果が観察された。
しかし、実測例としてはイオン注入法で形成した場合は
示されていない。従来例で示されているIn+、Nb+
イオンの場合には、Si基板中に注入された場合には夫
々■族、V族イオン不純物として挙動することが予測さ
れ、MIS形トランジスタの閾値電圧の大幅な変動をひ
き起こすと思われる。即ち、従来例の如く、Sf基板か
ら約3nm近傍にピーク濃度を有し、約10〜10  
C11の注入量を注入するためには、イオン注入分布が
ガウス分布となるために約3nmの絶縁膜を突き抜けて
10〜lOcll 程度のドーズ量がSi基板中へ注入
される。この様に大量の■、V族不純物がSi基板中へ
注入されれば、閾値電圧が極めて大きく変動しMIS形
トランジスタの閾値電圧制御は不可能と思われる。即ち
、通常のMIS形トランジスタの閾値電圧制御用の■、
v族の不純物イオンのドーズ量が10〜10  ell
  程度であるので、これにより1桁〜3桁も大きなド
ーズ量では閾値電圧制御が不可能になると思われる。更
に、Si基板から約3nmの位置にイオン注入不純物分
布のピークを形成しようとしても、ゲート絶縁膜やイオ
ン注入エネルギ等のバラツキを考慮するとSi基板中へ
のIn+やNb+イオンのドーズ量のバラツキは極めて
大きいという意味に於いても閾値電圧の制御は不可能と
思われる。
発明が解決しようとする課題 以上に説明したように、従来例に示すイオン注入法で粒
子3を形成する方法は、Mis形トランジスタの閾値電
圧制御が不可能で、従って、半導体不揮発性メモリとし
て実施することはできないと思われる。従って、本発明
では、イオン注入法を用いて半導体不揮発性メモリを実
際に集積化可能な手段を提供することである。
課題を解決するための手段 本発明では、イオン注入不純物としてSi半導体基板と
周期律表で同一の■族イオン(sピG e+、 S n
+、 P b+等)を用いることを特徴とし、Si基板
中に注入されても閾値電圧の変動が最小に抑える様にし
たものである。
作   用 ■族イオンを用いるので、ガウス分布ですそをひいてS
i基板中に注入されたイオンが活性化されずに閾値電圧
の変動に寄与することなく且つ実用に耐えつる充分大き
なヒステリシスを有する不揮発性メモリを実現できる。
実施例 本発明の実施例を第1図に示す。(a)はMIS構造ト
ランジスタのゲート領域の構造断面図を示し、(b)は
(a) −(a) ’で切った断面のイオン注入された
S!+イオン不純物濃度分布を示す。比抵抗が約10Ω
−cmのp形Si基板11の上面にゲート絶縁膜として
50nmのSiO2膜12膜形2し、Sビイオンを25
keV及び50keVで1018〜101016O’ 
 の注入量を注入してSi+イオン注入領域13を形成
する。その後、ゲート電極として多結晶Si膜14を形
成する。この時には、(b)に示す距fllR(St基
板11とS r 02膜12の界面からSi+イオン不
純物分布のピーク位置までの距離)は、25keVで約
25 n m 。
50keVで約Onmである。第2図にSi+イオンを
I X 10”ell−’で25 k e V (a)
と50keV (b)で注入した場合のゲート容量の容
量変化(C/Cox:但し、Coxはアキュムレーショ
ン領域での最大容量値を示す)とゲート電極に印加する
ゲート電極Va依存性を示す。v(Jが±5Vのスィー
ブ範囲でヒステリシスが観測され、そのウィンドウ幅は
約1vが得られる。10cm  の場合には±5Vのス
イープ範囲では0.1V以下であった。
10 ”〜10 ”am−2ではヒステリシス現象はa
ll測されなかった。50keVでlX10cm  の
イオン注入量の場合には、Si+イオンのピーク不純物
濃度は50keV、25keVの時に夫々約4.4X1
0”と8.0 X 10”cm−2であり、高濃度のS
!+イオンがSi基板に注入されているにも拘わらずフ
ラットバンド電極VFBの変化は、約0.8V、1.9
Vである。不純物濃度のピークが5i−3in2界面に
あると思われる50keV注入の場合に於いて、VFB
変化が1.9Vにおさまっているのは、Si+イオンが
Si基板中約1012011−2の注入量分のみが活性
化されていることが予想され、注入量の1016c+*
−2の大部分が不活性でvFBの変動に寄与していない
ことを示し、本発明のSi+イオンを使う正当性が実証
された。
このことは、50keV、25keVで1011015
a以下のS!+イオン注入量の場合には、vFB変動が
ないことと対応する。
ゲート絶縁膜でヒステリシス現象が実証できたので実際
にMIS形トランジスタを試作した。試作したトランジ
スタの断面構造図を第3図(a)に示す。約10Ω−備
のp形Si基板11上に50nmのS i 02膜12
を形成し、Si”(オンを25key、50keVで1
0 ”〜3 X 10 ”ell−’注入した。閾値電
圧制御用B+イオン注入は40keVで(4〜10)X
IO備 を行った。約350nm厚の多結晶Si膜14
はp++純物を高濃度に含むn+多多結晶S腹膜ある。
ソース領域15、ドレイン領域16はAs+イオンを8
0keyで6 X 101sell−”注入して形成し
たn++散領域である。Si+イオン注入後の熱処理は
900℃約30分である。第4図(a)〜(d)に試作
した25keVで1×101s〜3×1016clI−
2の注入量のMIS形トランジスタの電圧−電流特性を
示す。縦軸はドレイン電流1dを対数目盛で、横軸はゲ
ートとソース間電圧V。、を示す。閾値電圧Vアは約1
、OVでSi+注入量によらず、はぼ一定である。
ソースとドレイン間の電圧vSDは0.IV、基板バイ
アス電圧はOVである。ゲート電圧V。、が±5vのス
ィーブ振幅である。S!+イオン注入量が1×10 c
Il ではヒステリシス現象は観測されないが、1×1
0 備 の注入量でIQllllされ、注入量の増加に
つれてヒステリシスのウィンドウ幅は増大する。第5図
にヒステリシスのウィンドウ幅(Mis形トランジスタ
の閾値電圧の変化量△V )とSi”(オン注入量の関
係を示す。V(Isが±5vの振幅の場合は、Si+イ
オン注入量にほぼ比例して△VTは増大し、vOSが−
0,2V〜+3.OVの振幅の場合には△■アは3 X
 10”備−2で〜0.2vが得られた。50keVの
場合には、1×10 cIl で〜0.8vの△V、値
カ得られ、5t−8in2界面にピーク不純物濃度があ
ることにより、少ない注入量で大きな△VT値が得られ
、このSi+イオンがヒステリシスの原因であることが
分かった。
第3図(b) 、 (e)は本発明の別の実施例を示す
。(b)はゲート絶縁膜の一部に選択的にSi+イオン
注入領域13を形成した場合を示す。この場合には、M
is形トランジスタの閾値電圧V、はS!+イオンの注
入されていないゲート絶縁膜領域で決定され、より安定
なV□副制御可能となる。又、電荷の注入・放出を制御
する領域が限定される。
(e)は同一のSi基板11上にSi+イオン注入領域
13を有するゲート絶縁膜と、Sビイオン注入領域を有
しないゲート絶縁膜とを有する2種類のMIS形トラン
ジスタを形成した例を示す。これは、不揮発性メモリ効
果を有するトランジスタと、これの書き込み・消去を制
御するための周辺制御回路を同−Si基板上に集積化し
た例である。
発明の効果 Si基板と周期律表で同じ■族のSi+イオンをゲート
絶縁膜中に注入することにより、閾値電圧に悪影響を及
ぼすことなく、しかも±5vという低いゲート電圧での
ヒステリシス現象を実際に試作したMIS形トランジス
タで実証した。本発明の場合には、Si+イオン注入で
あるが、Ge+やSn+やPb+でも同様の効果が期待
できることは容易に推定できる。
従って、本発明によれば、ゲート絶縁膜中にSt+イオ
ン注入するという簡単な処理により不揮発性メモリが実
現でき、且つ、不揮発性メモリの周辺制御回路用のMI
S形トランジスタが容易に同一基板上に集積化できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による不揮発性メモリ効果を有するゲー
ト構造の概念説明図、第2図はゲート絶縁膜の不揮発性
メモリ効果を示す実測データのヒステリシス特性図、第
3図は本発明によるMIS形トランジスタの一実施例断
面構造図、第4図。 第5図は本発明によるMIS形トランジスタに於ける不
揮発性メモリ効果を示す実測データのヒステリシス特性
図、第6図は従来の不揮発性メモリの断面構造ならびに
ヒステリシス特性の説明図である。 11・・・・・・Si基板、12・・・・・・Sin、
膜、13・・・・・・St+イオン注入領域、14・・
・・・・多結晶Si膜。 代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 ほか12第 図 の 第 2 図 Vα(V) VC,(V) 宵 図 Vtts(Vノ ナ、5 VQS(Vノ 第 第 図 図 v63   (v) V’s (V)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)Si半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に於
    いて、イオン注入法によりSi半導体基板と周期律表で
    同一のIV族イオン(Si^+、Ge^+、Sn^+、
    Pb^+等)を10^1^6以上のドーズ量で、その不
    純物濃度ピークが上記半導体基板と上記ゲート絶縁膜と
    の界面からゲート絶縁膜側にある様にイオン注入領域を
    形成し、上記イオン注入領域への電荷の注入・放出を制
    御して不揮発性メモリ効果を制御したことを特徴とする
    半導体不揮発性メモリ。
  2. (2)ゲート絶縁膜の1部に選択的にイオン注入領域を
    形成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体不揮
    発性メモリ。
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