2020 Fiscal Year Annual Research Report
Control of the energy distribution of trap levels in the charge trapping films
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18K04244
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
小林 清輝 東海大学, 工学部, 教授 (90408005)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 不揮発性半導体メモリ / フラッシュメモリ / 電荷トラップ / シリコン窒化膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年のフラッシュメモリでは、シリコン窒化膜に内在する点欠陥がつくる電荷トラップに電子または正孔を捕獲させることで情報を記憶している。その更なる高集積化のために、捕獲した電子と正孔を放出する確率が低い欠陥準位を窒化膜に作り込む技術が求められている。
本研究ではまず、窒化膜に対しそれを構成する元素であるSiに比べて電気陰性度が低くd軌道に不対電子を持つHfをイオン注入と熱処理により添加し、その窒化膜を用いて作製したメモリ素子の電子保持特性を調べた。その結果、Hf添加試料の電子保持特性は添加していない素子に比べて劣っていた。一方、β-Si3N4結晶を構成するSiをHfに置き換えた系の第一原理計算において、Si3N4の禁制帯に浅い準位が生成するという結果が得られ、この浅い準位が電子保持特性の低下に関与した可能性が示唆された。
これらの結果を踏まえて、窒化膜に深い欠陥準位を形成できる元素を探索するために、β-Si3N4結晶のSiを5種類の元素（Mg, Ti, V, Mn, Alの金属元素）に置き換えた系について第一原理計算を行い、生成する欠陥準位について調べた。また、β-Si3N4結晶のNをCl, Fに置き換えた系についても第一原理計算を行った。その結果、MnまたはVを添加したSi3N4結晶の禁制帯に、3d軌道に起因する複数の欠陥準位が生成することを見出した。また、Mg, Ti, Alについては深い準位の生成は確認できず、Cl, Fを添加した系では浅い準位が現れた。MnとVについては、Si3N4結晶の格子間に位置する場合についても調べ、禁制帯に複数の欠陥準位が生じることを見出した。
この結果に基づいて、複数の条件でMnおよびVを添加した窒化膜からなるメモリ素子を作製し、低エネルギーイオン注入によって作製したMn添加試料において電子と正孔の保持特性が僅かであるが向上することを確認した。
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