成果報告書詳細
管理番号20130000000645
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発 水素拡散を制御した高信頼性絶縁膜の開発とフラッシュメモリーへの応用
公開日2013/10/25
報告書年度2009 - 2012
委託先名独立行政法人物質・材料研究機構 ルネサス エレクトロニクス株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所 国立大学法人東京大学 株式会社日立国際電気
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約次世代フラッシュメモリー実現のために絶縁膜の信頼性の向上と低電圧での動作を実現に関する研究開発を進めた。はじめに、絶縁膜中に信頼性低下の原因となる水素の拡散を抑制するために有効な水素貯蔵層を挿入することを提案し、そのために新材料開発をめざした。計算科学により、SiO2上に形成したSi2N2O膜は安定に水素を蓄積できることを見いだした。SiONをプラズマ窒化することでSi2N2Oが形成され、多結晶SiゲートとSiONの界面にSi2N2Oを置くことでSiとの界面への水素の拡散を抑制、高い信頼性を持つ絶縁膜に結びつくことを発見した。このSi2N2O膜はこれまでの書き換え回数限界の5倍、50万回書き換えを可能にする絶縁膜となった。
 また、計算科学とコンビナトリアル手法による新材料を探索した結果SiAlONがSi2N2Oと同様に多く水素を蓄積し絶縁膜の信頼性を向上させることがわかった。このSiAlONを使ったプレーナー型フラッシュメモリーは従来の構造に比べて安定に不揮発性メモリ動作を示した。さらなる高集積化、低電圧動作を目的として、この新材料を使い、低電圧で書き込み消去を可能にする新型Finフラッシュメモリーの世界初の開発を目指した。ここではまず、世界初のスプリットゲートFinFETフラッシュメモリーの作製に成功し、スプリットゲートによる過消去抑制効果を実証した。次に、微細な三角トンネル領域を持つFG型MOSキャパシタの作製及び電気特性を評価することで、三角先端部の電界集中効果による電子注入の低電圧化を実証した。さらに、絶縁膜品質を向上したFinFETフラッシュメモリーとポリシリコンFinFETフラッシュメモリーの作製及び電気特性を評価することで高密度・低コスト三次元フラッシュメモリー応用可能性をしめした。最後に、当プロジェクトで開発した新規水素貯蔵層絶縁膜を導入したチャージトラップ型と浮遊ゲート型FinFETフラッシュメモリーの開発を行い、ゲート長28 nmのFinFETフラッシュメモリーの作製に世界ではじめて成功した。ここでは三角形状のFinチャンネルを用いることにより、ゲート電圧6Vで書込み動作ができることを実証した。以上の成果から、この研究で目指した、「書き換え回数50万回を超える絶縁膜材料の開発」と「書き込み電圧6Vで動作するメモリ」の開発に成功し当初の目的を達成した。
英文要約 In this research project, to achieve a highly reliable insulating film for future flash memory which can be operated in 6V writing mode, we are making effort to develop a hydrogen storage materials and suitable 3D structure including FinFET.
As for the hydrogen storage materials, at first, to make clear the material and structure by first principle calculation to know that how the materials keep the hydrogen stably. In this calculation, we found that a cage structure is key to keep the H2 inside the materials and we found that Si2N2O and SiAlON are the best candidates.
To prove the theoretical estimation, we employed a combinatorial synthesis to find the best composition. From the results we found that Al2O3:SiN4=1:1 was the best composition to keep hydrogen inside. To synthesize Si2N2O films, we developed a new nitridation plasma CVD process where the SiON grown on Si was oxidized.
To evaluate the amount of hydrogen, we employed a Neutron Reaction Analysis (NRA) and developed the system to characterize the film in device with smaller size beam.
The nitridation process is able to make remarkable improvement on the CVD dielectric lifetime (Qbd) in comparison with the N2O-nitridation as well as the plasma-nitridation. The life time was extended to 5-10 time longer than those used in the previous materials and process.
 Also in this work, we have developed three kinds of key processes for fabrication of the flash memories with three-dimensional (3D) tunnel areas and low programming-erasing voltage. Here we have succeeded in the fabrications of (1) split-gate type FinFET flash memories, for the first time, (2) double-gate (DG) and tri-gate (TG) flash memories, (3)poly-Si channel FinFET flash memories. Also we demonstrated a flash memory where newly developed SiAlON was used as the hydrogen storage materials in the FinFET type memory. This memory was found to work well at 6V and could be the first FinFET flash memory with lower operation voltage.
From the results, we achieved the two research targets which are a new discovery of hydrogen storage materials and low voltage operation using FinFET in flash memory.
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