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JP6233000B2 - Nonvolatile semiconductor memory - Google Patents
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Description

本発明は、不揮発性半導体メモリに関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory.

不揮発性メモリは、電源を切ったあとでもデータが保持されるので、待機時の消費電力を0にできる。しかし、現在使われている不揮発性メモリは、動作スピード、信頼性、価格などの面で揮発性のランダムアクセスメモリ(RAM)に比べて劣る点がある。例えば、不揮発性メモリの一つであるフラッシュメモリは、絶縁体である酸化膜を通して電子を注入したり取り出したりするため、酸化膜部分の劣化が徐々に進行し、消去・書き込み回数が最大で数万回に限られている。   Since the nonvolatile memory retains data even after the power is turned off, the power consumption during standby can be reduced to zero. However, currently used nonvolatile memories are inferior to volatile random access memories (RAMs) in terms of operation speed, reliability, and price. For example, a flash memory, which is one of the nonvolatile memories, injects and takes out electrons through an oxide film that is an insulator, so that the deterioration of the oxide film gradually progresses, and the maximum number of erase / write operations is several. Limited to 10,000 times.

同様に、不揮発性メモリである抵抗変化型メモリ(ReRAM)は、抵抗変化材料である金属酸化物を電極で挟んだキャパシタ構造を有する。金属酸化物としては、CMOSプロセスとの親和性が高いNiO、TiO2、Cu2O、Ta25、CoOなどを用いることが多い。しかし、これら遷移金属酸化物の抵抗変化型メモリは、4個の課題がある。第1に、例えば5〜6Vの高電圧を印加することにより電気伝導経路を形成するためのフォーミング処理が必要である。第2に、遷移金属がシリコン半導体製造ラインの汚染源になる。第3に、動作原理が明らかでないために抵抗変化を定量的に制御するための指針が得られていない。第4に、酸化物を用いたメモリには酸化に対する耐性の強い貴金属電極を用いることが多く、低コスト化、省資源化が必要である。 Similarly, a resistance change type memory (ReRAM) which is a nonvolatile memory has a capacitor structure in which a metal oxide which is a resistance change material is sandwiched between electrodes. As the metal oxide, NiO, TiO 2 , Cu 2 O, Ta 2 O 5 , CoO, or the like that has high affinity with the CMOS process is often used. However, these transition metal oxide resistance change memories have four problems. First, a forming process for forming an electric conduction path by applying a high voltage of, for example, 5 to 6 V is necessary. Second, transition metals are a source of contamination for silicon semiconductor production lines. Third, since the principle of operation is not clear, a guideline for quantitatively controlling the resistance change has not been obtained. Fourthly, a noble metal electrode having a high resistance to oxidation is often used for a memory using an oxide, and it is necessary to reduce costs and save resources.

この他の不揮発性メモリでも、例えば、相変化メモリ(PRAM)は、膜の相変化を起こすため、書き換え回数に限界がある。また、強誘電体メモリ(FeRAM)及び磁気抵抗メモリ(MRAM)は、遷移金属を利用することが多いため、製造ラインの汚染に注意を払う必要が生じる。   Among other nonvolatile memories, for example, a phase change memory (PRAM) has a limit in the number of rewrites because it causes a phase change of the film. In addition, since the ferroelectric memory (FeRAM) and the magnetoresistive memory (MRAM) often use a transition metal, it is necessary to pay attention to contamination of the production line.

また、半導体基板に形成されたチャネル領域と、チャネル領域を挟むように形成された一対の拡散層領域と、チャネル領域上に第一の絶縁膜を介して形成された電荷保持部と、電荷保持部上に第二の絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを有する半導体記憶装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。電荷保持部は、内部に荷電粒子を保持し、その保持している荷電粒子の異なる分布状態により情報を記憶することが可能である。   A channel region formed in the semiconductor substrate; a pair of diffusion layer regions formed so as to sandwich the channel region; a charge holding portion formed on the channel region via a first insulating film; and charge holding A semiconductor memory device having a gate electrode formed on a portion with a second insulating film interposed therebetween is known (for example, see Patent Document 1). The charge holding unit holds charged particles inside and can store information according to different distribution states of the held charged particles.

特開2007−109895号公報JP 2007-109895 A

上記のように、これまでの不揮発性メモリは、消去及び書き込み可能回数が少ない課題が存在する。また、不揮発性メモリの書き込み電圧、消去電圧及び読み出し電圧が高いため、消費電力が大きい課題が存在する。   As described above, the conventional nonvolatile memory has a problem that the number of erasable and writable times is small. In addition, since the write voltage, erase voltage, and read voltage of the nonvolatile memory are high, there is a problem of high power consumption.

本発明の目的は、消費電力が小さく、消去及び書き込み可能回数を多くすることができる不揮発性半導体メモリを提供することである。   An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory that consumes less power and can increase the number of erasable and writable times.

不揮発性半導体メモリは、シリコン基板と、前記シリコン基板に形成されるソース領域と、前記シリコン基板に形成されるドレイン領域と、前記シリコン基板の上であって、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の間のチャネル領域の上に形成され、リチウムがドープされたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜の上に形成されるノンドープのシリコン膜と、前記シリコン膜の上に形成されるゲート電極とを有し、前記シリコン基板は、低濃度のn型不純物がドープされたn型シリコン基板、又は不純物がドープされていないノンドープのシリコン基板である。 The nonvolatile semiconductor memory includes a silicon substrate, a source region formed in the silicon substrate, a drain region formed in the silicon substrate, and the silicon substrate between the source region and the drain region. is formed on top of the channel region, possess a silicon oxide film which lithium is doped, and the silicon film of undoped formed on the silicon oxide film and a gate electrode formed on said silicon film the silicon substrate is lightly doped n-type impurity-doped n-type silicon substrate, or impurities Ru silicon substrate der undoped undoped.

リチウムイオンはシリコン酸化膜内で移動するため、劣化しにくく、消去及び書き込み可能回数を多くすることができる。また、書き込み電圧、消去電圧及び読み出し電圧を低くすることができるため、消費電力を小さくすることができる。   Since lithium ions move in the silicon oxide film, they are not easily deteriorated, and the number of erasable and writable times can be increased. In addition, since the writing voltage, the erasing voltage, and the reading voltage can be reduced, power consumption can be reduced.

図1(A)及び(B)は、本実施形態による不揮発性半導体メモリの構成例を示す図である。1A and 1B are diagrams illustrating a configuration example of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment. 図2は、不揮発性半導体メモリの書き込み処理の例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a writing process of the nonvolatile semiconductor memory. 図3(A)及び(B)は、不揮発性半導体メモリの読み出し処理の例を示す図である。3A and 3B are diagrams illustrating an example of read processing of the nonvolatile semiconductor memory. 図4は、不揮発性半導体メモリの消去処理の例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the erasing process of the nonvolatile semiconductor memory.

図1(A)は、本実施形態による不揮発性半導体メモリの構成例を示す断面図である。不揮発性半導体メモリは、シリコン(Si)基板101と、ソース領域102と、ドレイン領域103と、シリコン酸化膜104と、シリコン膜105と、ゲート電極106とを有する。シリコン基板101は、低濃度のn型不純物(ドーパント)がドープ(添加)されたn型シリコン基板、又は不純物がドープされていないノンドープのシリコン基板である。シリコン基板101は、グランド電位ノードに接続されている。ソース領域102は、シリコン基板101の表面に形成され、高濃度のp型不純物がドープされたp+型シリコン領域である。ドレイン領域103は、シリコン基板101の表面に形成され、高濃度のp型不純物がドープされたp+型シリコン領域である。シリコン酸化膜104は、シリコン基板101の上であって、ソース領域102及びドレイン領域103の間のチャネル領域の上に形成され、リチウム(Li)がドープされたSiO2膜である。シリコン膜105は、シリコン酸化膜104の上に形成され、不純物がドープされていないノンドープのシリコン膜である。ゲート電極106は、シリコン膜105の上に形成される。 FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the nonvolatile semiconductor memory according to the present embodiment. The nonvolatile semiconductor memory includes a silicon (Si) substrate 101, a source region 102, a drain region 103, a silicon oxide film 104, a silicon film 105, and a gate electrode 106. The silicon substrate 101 is an n-type silicon substrate doped (added) with a low-concentration n-type impurity (dopant), or a non-doped silicon substrate not doped with an impurity. The silicon substrate 101 is connected to the ground potential node. The source region 102 is a p + -type silicon region formed on the surface of the silicon substrate 101 and doped with a high-concentration p-type impurity. The drain region 103 is a p + -type silicon region formed on the surface of the silicon substrate 101 and doped with a high-concentration p-type impurity. The silicon oxide film 104 is an SiO 2 film formed on the silicon substrate 101 and on the channel region between the source region 102 and the drain region 103 and doped with lithium (Li). The silicon film 105 is a non-doped silicon film formed on the silicon oxide film 104 and not doped with impurities. The gate electrode 106 is formed on the silicon film 105.

図1(B)は、リチウムがドープされたシリコン酸化膜104の組成を示す図である。シリコン酸化膜(SiO2)104内のリチウムは、イオン化して一価の正イオンLi+となり、図1(B)のような安定配置をとる。シリコン酸化膜104は、シリコン基板101及びシリコン膜105の間に挟まれている。正のリチウムイオンLi+は、SiO2の酸素(O)と結合する性質があるため、シリコン基板101又はシリコン膜105へは移動できず、リチウムがドープされたシリコン酸化膜104内部に閉じ込められる。シリコン(Si)及びシリコン酸化膜(SiO2)の界面がある場合には、その界面から1層目の酸素(O)原子の層がより安定な位置となり、その酸素(O)原子の層に正のリチウムイオンLi+が偏析する。すなわち、シリコン酸化膜104内の正のリチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104内において、シリコン基板101との界面近傍又はシリコン膜105との界面近傍に偏析しやすい。その界面近傍の酸素原子とリチウム原子との結合エネルギーは約2eVであり、その構造は400℃程度まで安定である。また、これ以上の温度では、正のリチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104中を拡散する。 FIG. 1B is a diagram showing the composition of the silicon oxide film 104 doped with lithium. Lithium in the silicon oxide film (SiO 2 ) 104 is ionized to become monovalent positive ions Li + and has a stable arrangement as shown in FIG. The silicon oxide film 104 is sandwiched between the silicon substrate 101 and the silicon film 105. Since the positive lithium ion Li + has a property of bonding with oxygen (O) of SiO 2 , it cannot move to the silicon substrate 101 or the silicon film 105 and is confined inside the silicon oxide film 104 doped with lithium. When there is an interface between silicon (Si) and a silicon oxide film (SiO 2 ), the first oxygen (O) atom layer from the interface is in a more stable position, and the oxygen (O) atom layer Positive lithium ion Li + segregates. That is, positive lithium ions Li + in the silicon oxide film 104 are likely to segregate in the vicinity of the interface with the silicon substrate 101 or in the vicinity of the interface with the silicon film 105 in the silicon oxide film 104. The bond energy between oxygen atoms and lithium atoms in the vicinity of the interface is about 2 eV, and the structure is stable up to about 400 ° C. Further, at a temperature higher than this, positive lithium ions Li + diffuse in the silicon oxide film 104.

次に、不揮発性半導体メモリの製造方法の例を説明する。まず、シリコン基板101として、1015/cm3(1018/cm3程度以下)のP、As又はSb原子をドープした低濃度ドープn型シリコン基板を用いる。 Next, an example of a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory will be described. First, a lightly doped n-type silicon substrate doped with 10 15 / cm 3 (about 10 18 / cm 3 or less) of P, As, or Sb atoms is used as the silicon substrate 101.

次に、シリコン基板101のソース領域102及びドレイン領域103に対して、イオン打ち込みにより、B、Al又はGaを1020/cm3程度の濃度で局所的にドープし、高濃度ドープp型シリコンのソース領域102及びドレイン領域103を形成する。 Next, the source region 102 and the drain region 103 of the silicon substrate 101 are locally doped by ion implantation with B, Al, or Ga at a concentration of about 10 20 / cm 3 . A source region 102 and a drain region 103 are formed.

次に、シリコン基板101上に、厚さ5〜100nmのシリコン酸化膜(SiO2)104をドライ酸化により形成する。 Next, a silicon oxide film (SiO 2 ) 104 having a thickness of 5 to 100 nm is formed on the silicon substrate 101 by dry oxidation.

次に、シリコン基板101の裏面に金属リチウムを蒸着し、熱処理により、シリコン基板101の裏面からシリコン酸化膜104に金属リチウムを拡散させる。例えば、厚さ250μmのシリコン基板101の場合、380〜400℃の温度で、3〜15分、熱処理することにより、リチウムを拡散させることができる。シリコン基板101内には酸素原子がないので、リチウムは、シリコン基板101内をスムーズに通過し、シリコン酸化膜104内で図1(B)のように安定的に結合する。これにより、1013/cm2以上の正のリチウムイオンLi+は、シリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面のシリコン酸化膜104側に導入される。 Next, metal lithium is vapor-deposited on the back surface of the silicon substrate 101, and metal lithium is diffused from the back surface of the silicon substrate 101 into the silicon oxide film 104 by heat treatment. For example, in the case of the silicon substrate 101 having a thickness of 250 μm, lithium can be diffused by heat treatment at a temperature of 380 to 400 ° C. for 3 to 15 minutes. Since there are no oxygen atoms in the silicon substrate 101, lithium passes smoothly through the silicon substrate 101 and is stably bonded in the silicon oxide film 104 as shown in FIG. Thus, positive lithium ions Li + of 10 13 / cm 2 or more are introduced to the silicon oxide film 104 side at the interface between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104.

次に、シリコン酸化膜104上に、不純物がドープされていないノンドープのシリコン膜105を化学気相蒸着(CVD)法により形成する。   Next, a non-doped silicon film 105 which is not doped with impurities is formed on the silicon oxide film 104 by a chemical vapor deposition (CVD) method.

次に、シリコン膜105上に、Auのゲート電極106を形成する。ゲート電極材料は、Alなど他の金属でもよい。   Next, an Au gate electrode 106 is formed on the silicon film 105. The gate electrode material may be another metal such as Al.

その後、不揮発性半導体メモリを書き込まれていない「0」の記憶状態にリセットするために、図4に示す消去処理を行う。   Thereafter, an erasing process shown in FIG. 4 is performed in order to reset the nonvolatile semiconductor memory to a storage state of “0” that is not written.

図4は、不揮発性半導体メモリの消去処理の例を示す図である。消去処理では、ソース領域102に0Vのソース電圧Vsを印加し、ドレイン領域103に0Vのドレイン電圧Vdを印加し、ゲート電極106に負の消去電圧−Vwをゲート電圧Vgとして印加する。消去電圧−Vwの絶対値Vwは、例えば、2.4eV>Vw>1.8eVである。これにより、正のリチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104内において、シリコン酸化膜104とシリコン基板101との界面領域からシリコン膜105の方向に移動する。すなわち、シリコン基板101の電位に対する負の消去電圧−Vwをゲート電極106に印加することにより、シリコン酸化膜104内のリチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104内を拡散、又はシリコン酸化膜104内においてシリコン膜105及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップされる。この状態が不揮発性半導体メモリの「0」の記憶状態である。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the erasing process of the nonvolatile semiconductor memory. In the erase process, a source voltage Vs of 0 V is applied to the source region 102, a drain voltage Vd of 0 V is applied to the drain region 103, and a negative erase voltage -Vw is applied to the gate electrode 106 as the gate voltage Vg. The absolute value Vw of the erase voltage −Vw is, for example, 2.4 eV>Vw> 1.8 eV. As a result, positive lithium ions Li + move from the interface region between the silicon oxide film 104 and the silicon substrate 101 toward the silicon film 105 in the silicon oxide film 104. That is, by applying a negative erase voltage −Vw with respect to the potential of the silicon substrate 101 to the gate electrode 106, lithium ions Li + in the silicon oxide film 104 diffuse in the silicon oxide film 104 or in the silicon oxide film 104. In FIG. 2, the silicon film 105 and the silicon oxide film 104 are trapped in the interface region. This state is a storage state of “0” in the nonvolatile semiconductor memory.

シリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域の酸素原子及びリチウム原子の結合エネルギーは約2eVなので、消去電圧−Vwの絶対値Vwは、Vw>1.8 eVとする。また、絶対値Vwが2.4eVを超えると、シリコン酸化膜104内、又はシリコン及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップされた水素(H)が動き出して、シリコン及びシリコン酸化膜104の界面領域に余分な水素イオンH+やダングリングボンドが発生し、記憶状態を変化させてしまう懸念がある。そこで、絶対値Vwは、2.4eV>Vwとする。したがって、絶対値Vwは、2.4eV>Vw>1.8eVとするのが望ましい。 Since the binding energy of oxygen atoms and lithium atoms in the interface region between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104 is about 2 eV, the absolute value Vw of the erase voltage −Vw is set to Vw> 1.8 eV. When the absolute value Vw exceeds 2.4 eV, hydrogen (H) trapped in the silicon oxide film 104 or in the interface region between the silicon and the silicon oxide film 104 starts to move, and the interface region between the silicon and the silicon oxide film 104 is moved. There is a concern that excessive hydrogen ions H + and dangling bonds may be generated and the memory state may be changed. Therefore, the absolute value Vw is set to 2.4 eV> Vw. Therefore, the absolute value Vw is preferably 2.4 eV>Vw> 1.8 eV.

図2は、不揮発性半導体メモリの書き込み処理の例を示す図である。書き込み処理では、ソース領域102に0Vのソース電圧Vsを印加し、ドレイン領域103に0Vのドレイン電圧Vdを印加し、ゲート電極106に正の書き込み電圧Vwをゲート電圧Vgとして印加する。書き込み電圧Vwの絶対値は、消去電圧−Vwの絶対値と同じである。書き込み電圧Vwは、例えば、2.4eV>Vw>1.8eVである。ゲート電極106に書き込み電圧Vwを印加することにより、シリコン酸化膜104内に分布していたリチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104内を拡散し、シリコン基板101側に移動する。すなわち、シリコン基板101の電位に対する正の書き込み電圧Vwをゲート電極106に印加することにより、シリコン酸化膜104内のリチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104内においてシリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップされる。この状態が不揮発性半導体メモリの「1」の記憶状態である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a writing process of the nonvolatile semiconductor memory. In the writing process, a source voltage Vs of 0 V is applied to the source region 102, a drain voltage Vd of 0 V is applied to the drain region 103, and a positive write voltage Vw is applied to the gate electrode 106 as the gate voltage Vg. The absolute value of the write voltage Vw is the same as the absolute value of the erase voltage -Vw. The write voltage Vw is, for example, 2.4 eV>Vw> 1.8 eV. By applying the write voltage Vw to the gate electrode 106, lithium ions Li + distributed in the silicon oxide film 104 diffuse in the silicon oxide film 104 and move to the silicon substrate 101 side. That is, by applying a positive write voltage Vw with respect to the potential of the silicon substrate 101 to the gate electrode 106, the lithium ions Li + in the silicon oxide film 104 are converted into the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104 in the silicon oxide film 104. It is trapped in the interface region. This state is the storage state “1” of the nonvolatile semiconductor memory.

なお、図2の書き込み処理の後、図4の消去処理を行えば、不揮発性半導体メモリを「1」の記憶状態から「0」の記憶状態に変化させることができる。   If the erase process of FIG. 4 is performed after the write process of FIG. 2, the nonvolatile semiconductor memory can be changed from the storage state of “1” to the storage state of “0”.

図3(A)は図2の「1」の記憶状態の不揮発性半導体メモリの読み出し処理の例を示す図であり、図3(B)は図4の「0」の記憶状態の不揮発性半導体メモリの読み出し処理の例を示す図である。読み出し処理では、ソース領域102にソース電圧Vsを印加し、ドレイン領域103にドレイン電圧Vdを印加し、ゲート電極106に読み出し電圧をゲート電圧Vgとして印加する。   3A is a diagram illustrating an example of a read process of the nonvolatile semiconductor memory in the storage state “1” in FIG. 2, and FIG. 3B is a nonvolatile semiconductor in the storage state “0” in FIG. It is a figure which shows the example of the read-out process of memory. In the reading process, the source voltage Vs is applied to the source region 102, the drain voltage Vd is applied to the drain region 103, and the reading voltage is applied to the gate electrode 106 as the gate voltage Vg.

図3(B)の「0」の記憶状態では、リチウムイオンLi+は、図4に示したように、シリコン酸化膜104内を拡散、又はシリコン酸化膜104内においてシリコン膜105及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップされている。すなわち、リチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104内においてシリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップ(偏析)されていない。その結果、ゲート電極106に読み出し電圧を印加すると、ソース領域102からドレイン領域103に向かってホール電流が流れる。ホール電流が流れた場合には、不揮発性半導体メモリは「0」の記憶状態であると判定することができる。 In the memory state of “0” in FIG. 3B, the lithium ions Li + diffuse in the silicon oxide film 104 or the silicon film 105 and the silicon oxide film in the silicon oxide film 104 as shown in FIG. 104 is trapped in the interface region. That is, lithium ions Li + are not trapped (segregated) in the interface region between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104 in the silicon oxide film 104. As a result, when a read voltage is applied to the gate electrode 106, a hole current flows from the source region 102 toward the drain region 103. When the hole current flows, it can be determined that the nonvolatile semiconductor memory is in the “0” storage state.

図3(A)の「1」の記憶状態では、リチウムイオンLi+は、図2に示したように、シリコン酸化膜104内においてシリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップ(偏析)されている。その結果、ゲート電極106に読み出し電圧を印加しても、シリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップされたリチウムイオンLi+が持つ正電荷によって、ソース領域102からドレイン領域103にホール電流は流れない。ホール電流が流れない場合には、不揮発性半導体メモリは「1」の記憶状態であると判定することができる。 In the memory state “1” in FIG. 3A, lithium ions Li + are trapped (segregated) in the interface region between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104 in the silicon oxide film 104 as shown in FIG. Has been. As a result, even when a read voltage is applied to the gate electrode 106, the hole current flows from the source region 102 to the drain region 103 due to the positive charge of lithium ions Li + trapped in the interface region between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104. Does not flow. When the hole current does not flow, it can be determined that the nonvolatile semiconductor memory is in the “1” storage state.

以上のように、読み出し時に、ソース領域102からドレイン領域103へ流れる電流の有無によって、不揮発性半導体メモリの「0」の記憶状態と「1」の記憶状態とを区別することができる。   As described above, at the time of reading, the storage state of “0” and the storage state of “1” of the nonvolatile semiconductor memory can be distinguished by the presence / absence of a current flowing from the source region 102 to the drain region 103.

ゲート電圧(読み出し電圧)Vgは、Vth1<Vg<Vth0<0である。ここで、閾値電圧Vth0は、図3(B)の「0」の記憶状態におけるゲート電圧の閾値電圧である。すなわち、閾値電圧Vth0は、図3(B)の「0」の記憶状態においてソース領域102及びドレイン領域103間に流れる電流の有無の境界となるゲート電圧である。また、閾値電圧Vth1は、図3(A)の「1」の記憶状態におけるゲート電圧の閾値電圧である。すなわち、閾値電圧Vth1は、図3(A)の「1」の記憶状態においてソース領域102及びドレイン領域103間に流れる電流の有無の境界となるゲート電圧である。   The gate voltage (read voltage) Vg is Vth1 <Vg <Vth0 <0. Here, the threshold voltage Vth0 is a threshold voltage of the gate voltage in the storage state of “0” in FIG. That is, the threshold voltage Vth0 is a gate voltage that serves as a boundary between the presence and absence of current flowing between the source region 102 and the drain region 103 in the storage state “0” in FIG. The threshold voltage Vth1 is a threshold voltage of the gate voltage in the storage state “1” in FIG. That is, the threshold voltage Vth1 is a gate voltage that serves as a boundary between the presence and absence of current flowing between the source region 102 and the drain region 103 in the storage state “1” in FIG.

なお、ゲート電極106にゲート電圧(読み出し電圧)Vgを印加すると、ゲート電圧(読み出し電圧)Vgの絶対値に依存したエネルギーを持つホットエレクトロンが発生する。2eV及び2.4eV以上のエネルギーをもつホットエレクトロンが発生すると、それぞれリチウム及び水素が、ホットエレクトロンからエネルギーを受け取って結合を切る。リチウムの場合はシリコン酸化膜104中を拡散することにより、水素の場合にはシリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面に余分な水素イオンH+やダングリングボンドを発生する。これにより、不揮発性半導体メモリの記憶状態を変化させる可能性があるので、ゲート電圧(読み出し電圧)Vgは、0>Vth0>Vg>Vth1、かつ、Vg>−1.8eV の条件を満たすものとする。閾値電圧Vth0及びVth1は、シリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面におけるリチウムイオンLi+の面密度に応じて決まる。「0」の記憶状態でのリチウムイオンLi+の面密度はごく小さいので、閾値電圧Vth0は、略0Vである。「1」の記憶状態でのリチウムイオンLi+の面密度が1013/cm2の場合、閾値電圧Vth1は、約−1.5eVである。 When a gate voltage (read voltage) Vg is applied to the gate electrode 106, hot electrons having energy depending on the absolute value of the gate voltage (read voltage) Vg are generated. When hot electrons having energies of 2 eV and 2.4 eV or more are generated, lithium and hydrogen receive energy from the hot electrons and break bonds. In the case of lithium, diffusion in the silicon oxide film 104 causes hydrogen atoms H + and dangling bonds to be generated at the interface between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104 in the case of hydrogen. As a result, the storage state of the nonvolatile semiconductor memory may be changed, so that the gate voltage (read voltage) Vg satisfies the conditions of 0>Vth0>Vg> Vth1 and Vg> −1.8 eV. To do. The threshold voltages Vth0 and Vth1 are determined according to the surface density of lithium ions Li + at the interface between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104. Since the surface density of the lithium ion Li + in the “0” storage state is extremely small, the threshold voltage Vth0 is approximately 0V. When the surface density of the lithium ion Li + in the memory state of “1” is 10 13 / cm 2 , the threshold voltage Vth1 is about −1.5 eV.

以上のように、閾値電圧Vth1は、シリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面におけるリチウムイオンLi+の面密度に比例して決まる。リチウムイオンLi+の面密度は、上記の熱処理のリチウム拡散の際の温度と時間によりコントロールすることができる。リチウムイオンLi+の面密度を1013/cm2とした場合、閾値電圧Vth1は、約−1.5eVである。閾値電圧Vth1より低い電圧をゲート電極106に印加すると、図3(A)の「1」の記憶状態でも電流が流れることになる。したがって、ゲート電圧(読み出し電圧)Vgは、−1.5eV<Vgである。図3(B)の「0」の記憶状態では、シリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域にトラップされたリチウムイオンLi+は、図3(A)の「1」の記憶状態に比べて圧倒的に少ないので、閾値電圧Vth0は略0Vである。したがって、ゲート電圧(読み出し電圧)Vgは、実際には0>Vg≧−1eVが好ましい。 As described above, the threshold voltage Vth1 is determined in proportion to the surface density of lithium ions Li + at the interface between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104. The areal density of lithium ions Li + can be controlled by the temperature and time during lithium diffusion in the above heat treatment. When the surface density of lithium ion Li + is 10 13 / cm 2 , the threshold voltage Vth1 is about −1.5 eV. When a voltage lower than the threshold voltage Vth1 is applied to the gate electrode 106, a current flows even in the memory state “1” in FIG. Therefore, the gate voltage (read voltage) Vg is −1.5 eV <Vg. In the storage state “0” in FIG. 3B, lithium ions Li + trapped in the interface region between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104 are compared with the storage state “1” in FIG. Since it is overwhelmingly small, the threshold voltage Vth0 is substantially 0V. Therefore, the gate voltage (read voltage) Vg is actually preferably 0> Vg ≧ −1 eV.

また、不揮発性半導体メモリは、pチャネル型であるので、Vd≦Vsであり、かつ、特性としてはドレイン及びソース間電圧Vdsが大きくなっても、ドレイン電流が増加せずほぼ一定になる「飽和領域」を使う。ここで、Vds=Vd−Vsである。したがって、ドレイン及びソース間電圧Vdsは、Vds<Vg−Vth0<0 となる。   Further, since the nonvolatile semiconductor memory is a p-channel type, Vd ≦ Vs, and as a characteristic, even if the drain-source voltage Vds increases, the drain current does not increase and becomes substantially constant. Use "Region". Here, Vds = Vd−Vs. Therefore, the drain-source voltage Vds is Vds <Vg−Vth0 <0.

したがって、例えば、Vs=0Vとすると、Vd<Vg<0の関係が成り立つ。ゲート電圧(読み出し電圧)Vgを約−1eVとすると、ドレイン電圧Vdは絶対値が数eV程度のマイナスの値とすればよい。   Therefore, for example, when Vs = 0V, the relationship Vd <Vg <0 is established. If the gate voltage (read voltage) Vg is about -1 eV, the drain voltage Vd may be a negative value having an absolute value of about several eV.

本実施形態では、シリコン酸化膜104中のリチウムはイオン化している。ゲート電極106及びシリコン基板101の間に書き込み電圧を印加すると、リチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜104中のみを移動し、その後、ゲート電圧Vgの絶対値を小さくしても、シリコン酸化膜104内においてシリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域に留まる。ゲート電極106に読み出し電圧を印加した場合、リチウムイオンLi+がシリコン基板101及びシリコン酸化膜104の界面領域に偏析しているか否かによって、シリコン基板101のチャネル領域に流れる電流の有無の差異が生じる。この違いを利用して、不揮発性半導体メモリの「1」又は「0」の記憶状態を判定することができる。 In the present embodiment, lithium in the silicon oxide film 104 is ionized. When a write voltage is applied between the gate electrode 106 and the silicon substrate 101, the lithium ions Li + move only in the silicon oxide film 104, and then the silicon oxide film 104 even if the absolute value of the gate voltage Vg is reduced. It remains in the interface region between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104. When a read voltage is applied to the gate electrode 106, there is a difference in the presence or absence of current flowing in the channel region of the silicon substrate 101 depending on whether or not lithium ions Li + are segregated in the interface region between the silicon substrate 101 and the silicon oxide film 104. Arise. By utilizing this difference, the storage state of “1” or “0” of the nonvolatile semiconductor memory can be determined.

図1(B)に示したように、正のリチウムイオンLi+は、シリコン酸化膜(SiO2)104の酸素(O)と結合する性質があるため、シリコン基板101やシリコン膜105へは移動できず、シリコン酸化膜104内部に閉じ込められている。リチウム(Li)及び酸素(O)の結合エネルギーは、シリコン(Si)及び酸素(O)の結合エネルギーに比べると十分小さい。したがって、書き込み処理及び消去処理による結合形成と解離の繰り返しにより、シリコン酸化膜104が劣化する確率は既存のフラッシュメモリに比べると圧倒的に小さい。したがって、シリコン酸化膜104が劣化しにくい不揮発性半導体メモリを作製することが可能になる。また、書き込み電圧、消去電圧及び読み出し電圧が既存のフラッシュメモリなどに比べて小さくて済むので、低消費電力化が可能である。 As shown in FIG. 1B, the positive lithium ion Li + has a property of binding to oxygen (O) in the silicon oxide film (SiO 2 ) 104 and thus moves to the silicon substrate 101 and the silicon film 105. However, it is confined inside the silicon oxide film 104. The binding energy of lithium (Li) and oxygen (O) is sufficiently smaller than the binding energy of silicon (Si) and oxygen (O). Therefore, the probability that the silicon oxide film 104 is deteriorated due to repeated bond formation and dissociation by the writing process and the erasing process is much smaller than that of an existing flash memory. Therefore, it is possible to manufacture a nonvolatile semiconductor memory in which the silicon oxide film 104 is hardly deteriorated. In addition, since the write voltage, the erase voltage, and the read voltage are smaller than those of an existing flash memory, power consumption can be reduced.

以上のように、リチウムイオンLi+はシリコン酸化膜104内で移動するため、劣化しにくく、消去及び書き込み可能回数を多くすることができる。また、書き込み電圧、消去電圧及び読み出し電圧を低くすることができるため、消費電力を小さくすることができる。 As described above, since the lithium ions Li + move in the silicon oxide film 104, they are not easily deteriorated, and the number of erasable and writable times can be increased. In addition, since the writing voltage, the erasing voltage, and the reading voltage can be reduced, power consumption can be reduced.

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。   The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.

101 シリコン基板
102 ソース領域
103 ドレイン領域
104 シリコン酸化膜
105 シリコン膜
106 ゲート電極
101 Silicon substrate 102 Source region 103 Drain region 104 Silicon oxide film 105 Silicon film 106 Gate electrode

Claims (8)

シリコン基板と、
前記シリコン基板に形成されるソース領域と、
前記シリコン基板に形成されるドレイン領域と、
前記シリコン基板の上であって、前記ソース領域及び前記ドレイン領域の間のチャネル領域の上に形成され、リチウムがドープされたシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜の上に形成されるノンドープのシリコン膜と、
前記シリコン膜の上に形成されるゲート電極とを有し、
前記シリコン基板は、低濃度のn型不純物がドープされたn型シリコン基板、又は不純物がドープされていないノンドープのシリコン基板であることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
A silicon substrate;
A source region formed in the silicon substrate;
A drain region formed in the silicon substrate;
A silicon oxide film formed on the silicon substrate and on a channel region between the source region and the drain region and doped with lithium;
A non-doped silicon film formed on the silicon oxide film;
Have a gate electrode formed on the silicon film,
The silicon substrate is non-volatile semiconductor memory low concentration n-type impurity-doped n-type silicon substrate, or impurities, characterized in silicon substrate der Rukoto undoped undoped.
前記シリコン基板の電位に対する正の書き込み電圧を前記ゲート電極に印加することにより、前記シリコン酸化膜内のリチウムイオンは、前記シリコン酸化膜内において前記シリコン基板及び前記シリコン酸化膜の界面領域にトラップ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。   By applying a positive write voltage with respect to the potential of the silicon substrate to the gate electrode, lithium ions in the silicon oxide film are trapped in the interface region between the silicon substrate and the silicon oxide film in the silicon oxide film. The non-volatile semiconductor memory according to claim 1. 前記正の書き込み電圧は、1.8eVより高く、かつ2.4eVより低い電圧であることを特徴とする請求項2記載の不揮発性半導体メモリ。3. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 2, wherein the positive write voltage is higher than 1.8 eV and lower than 2.4 eV. 前記シリコン基板の電位に対する負の消去電圧を前記ゲート電極に印加することにより、前記シリコン酸化膜内のリチウムイオンは、前記シリコン酸化膜内を拡散、又は前記シリコン酸化膜内において前記シリコン膜及び前記シリコン酸化膜の界面領域にトラップされることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ。 By applying a negative erasing voltage with respect to the potential of the silicon substrate to the gate electrode, lithium ions in the silicon oxide film diffuse in the silicon oxide film, or the silicon film and the silicon oxide film in the silicon oxide film the nonvolatile semiconductor memory according to any one of claims 1-3, characterized in that it is trapped in the interface region of the silicon oxide film. 前記負の消去電圧は、−2.4eVより高く、かつ−1.8eVより低い電圧であることを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体メモリ。5. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 4, wherein the negative erase voltage is a voltage higher than −2.4 eV and lower than −1.8 eV. 前記ゲート電極に読み出し電圧を印加し、前記ソース領域にソース電圧を印加し、前記ドレイン領域にドレイン電圧を印加した場合、前記シリコン酸化膜内のリチウムイオンが前記シリコン酸化膜内において前記シリコン基板及び前記シリコン酸化膜の界面領域にトラップされている場合には前記ソース領域及び前記ドレイン領域間に電流が流れず、前記シリコン酸化膜内のリチウムイオンが前記シリコン酸化膜内において前記シリコン基板及び前記シリコン酸化膜の界面領域にトラップされていない場合には前記ソース領域及び前記ドレイン領域間に電流が流れることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ。 When a read voltage is applied to the gate electrode, a source voltage is applied to the source region, and a drain voltage is applied to the drain region, lithium ions in the silicon oxide film are formed in the silicon oxide film and the silicon substrate and When trapped in the interface region of the silicon oxide film, no current flows between the source region and the drain region, and lithium ions in the silicon oxide film are in the silicon oxide film and the silicon substrate and the silicon. the nonvolatile semiconductor memory according to any one of claims 1 to 5 when not trapped in the interface region of the oxide film and a current flows between the source region and the drain region. 前記読み出し電圧は、−1eV以上であり、かつ0Vより低い電圧であることを特徴とする請求項6記載の不揮発性半導体メモリ。The nonvolatile semiconductor memory according to claim 6, wherein the read voltage is −1 eV or more and lower than 0 V. 前記ソース領域及び前記ドレイン領域は、p型シリコン領域であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の不揮発性半導体メモリ。 The source region and the drain region, the non-volatile semiconductor memory according to any one of claims 1-7, characterized in that a p-type silicon region.
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