2014 Fiscal Year Research-status Report
低誘電率絶縁膜の電荷捕獲メモリへの応用に関する研究
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26420280
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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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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 不揮発性半導体メモリ / 電荷トラップ / シリコン炭窒化膜 / シリコン窒化膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電荷トラップ型不揮発性半導体メモリでは、電荷捕獲絶縁膜に内在す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する。これまで電荷捕獲絶縁膜としてシリコン窒化膜（比誘電率～7）が用いられてきたが、本研究では低い誘電率（比誘電率4.8-4.9）と狭いバンドギャップを持つシリコン炭窒化膜（SiCN膜）を用いることを提案している。本年度はp型(100)シリコン基板表面に、ブロッキング酸化膜/SiCN/トンネル酸化膜（17.3/ 31.5/2.4 nm）からなる三層絶縁膜を成膜し、アルミニウム電極を設けたメモリ素子（以下ではSiCN素子と呼ぶ）を試作し、そのメモリ特性の一部を明らかにした。SiCN膜はSi(CH3)4とNH3を原料とする400℃のプラズマ支援化学気相堆積法により堆積された。
まず85℃、160℃、235℃の各温度において電子保持特性と正孔保持特性を計測し、試作したSiCN素子が、実用可能な情報保持寿命を有することを確認した。続いて電子保持特性と正孔保持特性の実験結果から、SiCN膜に捕獲された電子の放出過程の活性化エネルギーが、捕獲正孔の放出過程に比べて大きいことを明らかにした。更に、電子保持特性の実験結果からトラップ準位の深さを見積もることができる簡便な解析方法を新たに提案し、この方法を用いて伝導帯下端から1.5～2.0 eVの深さのトラップ準位に電子が捕獲されると結論づけた。
一方、SiCN素子の書込み消去特性を計測したところ、シリコン窒化膜からなるメモリ素子（SiN素子）に比べて消去速度が速いという結果が得られた。また231℃のベークを行い電荷を放出させたSiN素子において、注入正孔密度と捕獲正孔密度の関係を調べた。その結果、空のトラップがシリコン窒化膜に高密度で存在している場合、注入された正孔は80％以上と高い効率で捕獲されることが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SiCN素子の電子保持特性と正孔保持特性を85℃、160℃、235℃の温度で計測し、SiCN膜に捕獲された電子の放出過程と正孔の放出過程の活性化エネルギーを研究計画に沿って求めた。
これに加えて、メモリ素子の電子保持特性の実験結果から、電荷捕獲絶縁膜に内在する電荷トラップの準位のエネルギー分布を見積もることができる簡便な解析方法を提案した。この解析方法の構築は当初の計画には含まれていなかったが提案した方法を用いることによって、電荷捕獲絶縁膜の禁制帯中のトラップ準位のエネルギー分布を簡便に見積もり、議論を定量的に行うことができるようになった。この結果、SiCN膜において電子は伝導帯下端から1.5～2.0 eVの深さのトラップに捕獲されていると求められ、電子トラップの性質の解明が進んだ。
また、SiCN素子の書込み消去特性についてSiN素子との比較検討を行い、SiCN素子の消去速度が速いという当初は予想していなかったメリットを見出した。研究計画に沿って、231℃のベークを行い電荷を放出させたメモリ素子の電荷捕獲特性の測定にも着手した。素子への注入正孔密度と捕獲正孔密度の関係を求めることができる実験方法を考案し、SiN素子においてトラップの正孔捕獲効率を求めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
SiCN素子と同様に、SiN素子の電子保持特性からトラップ準位のエネルギー分布を見積もり、両者のトラップ準位のエネルギー分布を比較する。その後、検討の対象を正孔保持特性にも広げる予定である。
注入正孔密度と捕獲正孔密度の関係を求める実験方法を考案したことで、SiCN素子とSiN素子のトラップのキャリヤ捕獲現象を定量的に解析することが可能となった。考案した実験方法を用いて捕獲電荷を放出した状態のSiCN素子の正孔捕獲効率を求め、SiN素子の正孔捕獲効率との比較を行う。続いて電子を捕獲した状態のSiCN素子においても正孔捕獲効率を求め、正孔捕獲過程において捕獲電子が及ぼす影響について議論する。
上記の実験と解析に並行して、SiCN膜の価電子帯構造の分析を行う。得られた分析結果に基づいてエネルギーバンド構造に関する考察を行い、バンド構造とSiCN素子へのキャリヤ注入確率の関係を議論する。
以上の様に、SiCN素子とSiN素子のキャリヤ保持特性ならびにキャリヤ捕獲現象をそれぞれ解析し、SiCN膜とシリコン窒化膜のトラップの性質を、両面から考察していく。
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| Causes of Carryover |
必要とする物品の価格が上昇したため、平成26年度の残金では購入できなかった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の助成と合算し、研究成果発表のための旅費の一部に使用する。
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