存储器装置和半导体装置制造方法及图纸

目的之一是提供可以抑制其功耗的存储器装置和包括该存储器装置的半导体装置。对该存储器装置中的每个存储器单元，作为用于保持积累在起存储器元件作用的晶体管中的电荷的开关元件，提供有包括氧化物半导体膜作为有源层的晶体管。用作存储器元件的晶体管具有第一栅电极、第二栅电极、位于第一栅电极和第二栅电极之间的半导体膜、位于第一栅电极和半导体膜之间的第一绝缘膜、位于第二栅电极和半导体膜之间的第二绝缘膜、以及与半导体膜接触的源电极和漏电极。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非易失性半导体存储器装置。特别地，本专利技术涉及存储数据的存储器 单元的结构及其驱动方法。
技术介绍
半导体存储器装置（在下文中，简单地称为存储器装置）的示例包括DRAM和 SRAM，其被归类为易失性存储器；掩蔽型ROM、EPROM、EEPR0M、闪速存储器和铁电存储器，其 被归类为非易失性存储器；等等。包括单晶半导体衬底的这些存储器中的大部分已经投入 实际使用。在上文的半导体存储器之中，闪速存储器被广泛销售，其主要用于例如USB存储 器和存储器卡等移动存储介质。其原因是闪速存储器耐物理冲击，并且可以方便地使用，因 为它们是可以重复写入和删除数据并且可以在不供应电力的情况下存储数据的非易失性 存储器。 作为闪速存储器的类型，存在NAND闪速存储器（其中多个存储器单元串联连接） 和NOR闪速存储器（其中多个存储器单元采用矩阵设置）。这些闪速存储器中的任何存 储器具有在每个存储器单元中起存储器元件的作用的晶体管。此外，起存储器元件作用的 该晶体管具有在栅电极和充当有源层的半导体膜之间用于积累电荷的电极，称其为浮动栅 极。该浮动栅极中电荷的积累实现数据的存储。 专利文献1和2描述包括在玻璃衬底之上形成的浮动栅极的薄膜晶体管。日本专利申请公开第H6-021478号 日本专利申请公开第2005-322899号。
技术实现思路
注意，一般来说，在数据写入中施加于非易失性存储器的存储器元件的电压的绝 对值近似是20V，其趋向高于施加于易失性存储器的存储器元件的电压的绝对值。在可以重 复重写数据的闪速存储器的情况下，在数据擦除以及数据写入中高电压需要施加于用作存 储器元件的晶体管。因此，当闪速存储器操作时（例如在数据写入和数据擦除中）功耗变 高，这是包括闪速存储器作为存储器装置的电子装置消耗高功率的一个因素。特别地，当闪 速存储器用于例如照相机和移动电话等便携式电子装置时，高功耗引起短的连续使用时间 的劣势。 另外，尽管闪速存储器是非易失性存储器，但是数据由于电荷的轻微泄露而丢失。 因此，迄今为止数据存储期近似是五年到十年，并且希望实现能够确保更长存储期的闪速 存储器。 此外，尽管闪速存储器可以重复写入和擦除数据，但是当电荷在浮动栅极中积累 时，栅极绝缘膜容易由隧道电流而变差。因此，在一个存储器元件中数据重写的次数近似是 至多一万至十万次，并且希望实现可以重写一万至十万或更多次的闪速存储器。 鉴于上文的问题，本专利技术的目的是提供可以抑制其功耗的存储器装置和使用该存 储器装置的半导体装置。此外，本专利技术的目的是提供可以更长期存储数据的存储器装置和 使用该存储器装置的半导体装置。此外，本专利技术的目的是提供可以多次重写数据的存储器 装置和使用该存储器装置的半导体装置。 在本专利技术的实施例中，非易失性存储器装置使用晶体管形成，该晶体管充当存储 器元件并且除平常的栅电极外还包括用于控制阈值电压的第二栅电极。另外，在上文的存 储器装置中，为了写入数据，电荷没有用高电压注入由绝缘膜环绕的浮动栅极；相反，用于 控制用作存储器元件的该晶体管的阈值电压的该第二栅电极的电势用具有极低截止状态 电流的晶体管控制。也就是说，根据本专利技术的一个实施例的存储器装置至少包括晶体管 (其阈值电压由该第二栅电极控制）、用于保持该第二栅电极的电势的电容器、以及用作用 于控制该电容器的充电和放电的开关元件的晶体管。用作存储器元件的晶体管的阈值电压的偏移量由第二栅电极的电势的高度来控 制，更具体地，由源电极和第二栅电极之间的电势差来控制。另外，阈值电压的高度差或由 阈值电压的高度差引起的源电极和漏电极之间的电阻差导致存储在存储器元件中的数据 的差别。 用作存储器元件的晶体管可以是任何东西只要它是绝缘栅型场效应晶体管即可。 具体地，晶体管包括第一栅电极、第二栅电极、位于第一栅电极和第二栅电极之间的半导体 膜、位于第一栅电极和半导体膜之间的第一绝缘膜、位于第二栅电极和半导体膜之间的第 二绝缘膜，以及与半导体膜接触的源电极和漏电极。 此外，用作开关元件的晶体管具有沟道形成区域，其包括带隙比硅宽并且本征载 流子密度比硅低的半导体材料。利用包括具有上文的特性的半导体材料的沟道形成区域， 可以实现具有极低截止状态电流的晶体管。作为这样的半导体材料，例如可以给出氧化物 半导体、碳化硅、氮化镓，或具有近似为硅的三倍的带隙宽度的类似物。 注意氧化物半导体是示出半导体特性的金属氧化物，这些特性包括是微晶硅或多 晶硅的特性的高迀移率和是非晶硅的特性的均匀的元件特性两者。另外，通过减少杂质 (其可以是电子施主（施主），例如水分或氢等）而高度纯化的氧化物半导体（纯化OS)是 i型（本征半导体）或大致上i型。包括上文的氧化物半导体的晶体管具有极低的截止状 态电流的性质。具体地，在去除包括于氧化物半导体中的例如水分或氢等杂质后，通过二 次离子质谱法（sms)测量的氧化物半导体中的氢浓度的值是5X IO1Vcm3或更小，优选为 5 X IOisVcm3或更小，更优选为5 X 10 1Vcm3或更小，并且进一步优选为5 X 10 1Vcm3或更小。 另外，可以通过霍尔效应测量而测量的氧化物半导体膜的载流子密度小于I X IO1Vcm 3，优 选为小于IX l〇12/cm 3,更优选为小于IX 10n/cm 3，其是最小测量极限或更小。即，氧化物半 导体膜中的载流子密度极接近零。此外，氧化物半导体的带隙是2eV或更大，优选为2. 5eV 或更大，更优选为3eV或更大。利用通过例如水分或氢等杂质的浓度的足够减少而高度纯 化的氧化物半导体膜，可以减小晶体管的截止状态电流。 这里描述氧化物半导体膜和导电膜中的氢浓度的分析。氧化物半导体膜和导电膜 中的氢浓度通过S頂S测量。已知在原理上难以通过S頂S在样品的表面附近或在使用不同 材料形成的层叠膜之间的界面附近获得数据。从而，在膜的氢浓度在厚度方向上的分布通 过S頂S分析的情况下，采用在其中提供膜并且可以从其获得彼此没有大的改变并且几乎 相同的值的区域中的平均值作为氢浓度。此外，在膜的厚度小的情况下，由于邻近彼此的膜 的氢浓度的影响，在一些情况下找不到可以从其获得几乎相同的值的区域。在该情况下， 采用提供有膜的区域的氢浓度的最大值或最小值作为膜的氢浓度。此外，在具有最大值的 山形峰和具有最小值的谷形峰在提供膜的区域中不存在的情况下，采用拐点的值作为氢浓 度。 注意，发现通过溅射等形成的氧化物半导体膜包括大量水分或氢作为杂质。水分 或氢容易形成施主能级，并且从而自身充当氧化物半导体中的杂质。从而，在本专利技术的一 个实施例中，在氢气氛、氧气氛、超干空气（其中水的含量是20ppm或更小，优选为Ippm或 更小，并且更优选为IOppb或更小的气体）的气氛或稀有气体（例如，氩和氦）气氛中对氧 化物半导体膜进行热处理，以便减少该氧化物半导体膜中的例如水分或氢等杂质。上文的 热处理优选在500°C至850°C (备选地，玻璃衬底的应变点或更小）（含）进行，更优选为在 550°C至750°C (含）进行。注意该热处理在不超过要使用的衬底的温度上限的温度进行。 通过热处理消除水分或氢的效果通过热脱附谱（TDS)确认。 炉中的热处理或快速热退火法（R本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，包括：存储器单元，包括：第一晶体管；以及第二晶体管，其中所述第一晶体管包括：第一栅电极；所述第一栅电极上的第二栅电极；以及所述第一栅电极与所述第二栅电极之间的第一沟道形成区域，其中所述第二晶体管包括第二沟道形成区域，所述第二沟道形成区域包含氧化物半导体，并且其中所述第二晶体管的源电极和漏电极中的一个直接连接到所述第一晶体管的所述第二栅电极。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：盐野入丰，三宅博之，加藤清，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：日本;JP