(57)【要約】【課題】  基板との界面近傍に均一な微粒子密度を有する微粒子含有体を提供すること。【解決手段】  基板４０上に形成された絶縁体５０を備える。絶縁体５０中で基板４０との界面４１近傍に互いに離間して配置された少なくとも２つの微粒子６０を含む。界面４１に平行な或る方向から２つの微粒子６０を正射投影した場合、どちらか一方の微粒子の投影面積を１００としたとき他方の微粒子の投影面積は５０以上２００以下であり、かつ上記２つの微粒子の投影は少なくとも一部が重なり合う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された絶縁体と、
上記絶縁体中で上記基板との界面近傍に互いに離間して配置された少なくとも２つの微粒子を含み、
上記界面に平行な或る方向から上記２つの微粒子を正射投影した場合、どちらか一方の微粒子の投影面積を１００としたとき他方の微粒子の投影面積は５０以上２００以下であり、かつ上記２つの微粒子の投影は少なくとも一部が重なり合うことを特徴とする微粒子含有体。
【請求項２】
請求項１に記載の微粒子含有体において、
上記微粒子を構成する元素が銀であることを特徴とする微粒子含有体。
【請求項３】
請求項１に記載の微粒子含有体において、
上記基板は導電性物質からなり、上記絶縁体はその上記導電性物質を酸化した酸化物からなることを特徴とする微粒子含有体。
【請求項４】
請求項１に記載の微粒子含有体を製造する微粒子含有体製造方法であって、
基板上に絶縁体を形成する工程と、
上記絶縁体中に上記微粒子を構成すべき銀元素を負イオン化して注入する工程とを有し、上記注入のエネルギは１５ｋｅＶ未満かつドーズ量は５×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2乃至５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の範囲内であることを特徴とする微粒子含有体製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の微粒子含有体製造方法において、
上記注入後に６００℃乃至８００℃の範囲内の温度で熱処理を行うことを特徴とする微粒子含有体製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の微粒子含有体製造方法において、
上記熱処理によって上記絶縁体中に注入された上記銀元素を拡散または凝集させて、上記絶縁体中で上記界面に沿って分布するようにナノメートルサイズの微粒子を形成することを特徴とする微粒子含有体製造方法。
【請求項７】
請求項１に記載の微粒子含有体を備え、上記微粒子が電荷を蓄積する機能を有することを特徴とするメモリ機能体。
【請求項８】
請求項１に記載の微粒子含有体を備え、上記微粒子が電荷を蓄積する機能を有することを特徴とするメモリ素子。
【請求項９】
請求項７に記載のメモリ機能体または請求項８に記載のメモリ素子を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁体中に微粒子を含む微粒子含有体およびその製造方法に関する。なお、「微粒子」とはサイズが１μｍ未満の粒子を指す。
【０００２】
また、この発明は、そのような微粒子含有体を備えたメモリ機能体、メモリ素子および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、ナノドットやナノクリスタルと呼ばれるナノメートルサイズの微粒子をゲート絶縁膜中に含有させたもの（これを「微粒子含有体」と呼ぶ。）が提案されている。この種の微粒子含有体は微粒子に電荷蓄積機能を持たせてメモリ素子を構成するのに適する。
【０００４】
例えば、特許文献１（特開２０００-２２００５号公報）に記載の方法では、そのような微粒子含有体を作製するために、まずシリコン基板上にシリコン熱酸化膜を形成し、そのシリコン熱酸化膜上にＬＰＣＶＤ（低圧化学的気相堆積）装置によってアモルファスシリコンを堆積する。その後、上記アモルファスシリコンにアニール処理を施して、上記シリコン熱酸化膜上にシリコン微結晶を形成する。さらに、上記シリコン微結晶上にＣＶＤ（化学的気相堆積）法によってシリコン酸化膜を堆積する。
【０００５】
しかしながら、上記方法では、上記シリコン基板上で場所によって微粒子の密度がばらつく。このため、例えば上記シリコン基板を分割して上記微粒子含有体を含む複数のメモリ素子を作製したとき、メモリ素子間で性能ばらつきが生じて、量産に適さないという問題がある。
【特許文献１】特開２０００−２２００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の課題は、基板との界面近傍に均一な微粒子密度を有する微粒子含有体を提供することにある。
【０００７】
また、この発明の課題は、そのような微粒子含有体を簡単な工程で作製でき、量産性に優れた微粒子含有体製造方法を提供することにある。
【０００８】
また、この発明の課題は、そのような微粒子含有体を備えたメモリ機能体、メモリ素子および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明の微粒子含有体は、
基板上に形成された絶縁体と、
上記絶縁体中で上記基板との界面近傍に互いに離間して配置された少なくとも２つの微粒子を含み、
上記界面に平行な或る方向から上記２つの微粒子を正射投影した場合、どちらか一方の微粒子の投影面積を１００としたとき他方の微粒子の投影面積は５０以上２００以下であり、かつ上記２つの微粒子の投影は少なくとも一部が重なり合うことを特徴とする。
【００１０】
なお、界面「近傍」とは、上記絶縁体中で上記絶縁体の厚さ半分よりも上記界面に近い位置を意味する。
【００１１】
この発明の微粒子含有体は、上記絶縁体中で基板との界面近傍に互いに離間して配置された少なくとも２つの微粒子を含んでいる。上記界面に平行な或る方向から上記２つの微粒子を正射投影した場合、どちらか一方の微粒子の投影面積を１００としたとき他方の微粒子の投影面積は５０以上２００以下であり、かつ上記２つの微粒子の投影は少なくとも一部が重なり合う。この微粒子の大きさと配置の条件を満たすお蔭で、上記基板との界面近傍で上記微粒子の密度は、従来例のものに比してばらつきが少なく、均一になる。したがって、上記基板上の大面積に微粒子を形成した後に、細かい面積に分割しても、分割した部分によって違いは少ない。したがって、上記微粒子含有体を用いた機能素子を作製する場合、素子間の性能ばらつきを抑制でき、量産に適する。例えば微粒子に電荷蓄積機能を持たせたメモリ素子を作製する場合、メモリ素子間の性能ばらつきを抑制できる。したがって、量産に適する。
【００１２】
なお、各微粒子の形状は実質的に球形であるのが望ましい。「実質的に」球形であるとは、球形からの歪みが製造ばらつきの範囲内であることを意味する。
【００１３】
一実施形態の微粒子含有体では、上記微粒子を構成する元素が銀であることを特徴とする。
【００１４】
この一実施形態の微粒子含有体では、この微粒子含有体の作製段階で、銀元素は、上記絶縁体中における上記基板との界面近傍に上記界面に沿って留まる性質を有する（詳しくは後述する。）。したがって、上記微粒子の大きさと配置の条件が容易に満たされる。また、上記微粒子を構成する元素が銀であるから、上記微粒子が電荷を蓄積する機能を有する。また、この微粒子含有体を構成する絶縁体は電荷の散逸を防止する機能を有する。したがって、この微粒子含有体はメモリ機能を有するメモリ機能体として働くことができ、メモリ素子を構成するのに適する。
【００１５】
一実施形態の微粒子含有体では、上記基板は導電性物質からなり、上記絶縁体はその上記導電性物質を酸化した酸化物からなることを特徴とする。
【００１６】
この一実施形態の微粒子含有体では、上記基板は導電性物質からなり、上記絶縁体は酸化物からなるため、両者は熱膨張係数が異なる。しかし、上記絶縁体はその上記導電性物質を酸化した酸化物からなるので、上記基板と絶縁体とは密着性良く接合したものになっている。また、上記絶縁体は酸化により形成されるので、既存の半導体製造装置で形成が可能となり、特殊な設備を要しない。したがって、安価に製造が可能であり、さらに他の半導体装置と混載することも可能となり実用的である。
【００１７】
この発明の微粒子含有体製造方法は、上記発明の微粒子含有体を製造する微粒子含有体製造方法であって、
基板上に絶縁体を形成する工程と、
上記絶縁体中に上記微粒子を構成すべき銀元素を負イオン化して注入する工程とを有し、上記注入のエネルギは１５ｋｅＶ未満かつドーズ量は５×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2乃至５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の範囲内であることを特徴とする。
【００１８】
この発明の微粒子含有体製造方法では、イオン注入法を用いているので、ＣＶＤ法に較べて微粒子の高密度化が容易で生産性に優れる。また、注入される銀元素は負イオン化されているので、正イオンを注入する場合のように絶縁体が高圧に帯電することがなく、上記絶縁体が破壊されたり欠陥が生じたり、あるいは注入深さがばらついたりすることが抑制される。
【００１９】
また、イオン注入のエネルギは１５ｋｅＶ未満かつドーズ量は５×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2〜５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2であるから、注入エネルギおよびドーズ量が比較的小さい。したがって、絶縁体に対する注入によるダメージの発生をさらに抑制することができる。
【００２０】
また、注入エネルギを１５ｋｅＶ未満にしているので、注入元素が絶縁体の広範囲に注入されて微粒子がばらついて形成されることを抑制することができる。また、ドーズ量を５×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2〜５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2にしているので、注入元素の密度が高すぎて微粒子の大きさが大きくなりすぎたり、微粒子間の間隔が狭すぎて融着を起こしてしまったり、逆に微粒子の大きさが小さすぎて電気的容量が小さ過ぎて電気的な素子として利用できなくなることを抑制できる。
【００２１】
この微粒子含有体製造方法によれば、上記微粒子含有体を簡単な工程で製造でき、量産性に優れる。また、この微粒子含有体製造方法によって製造された微粒子含有体を用いれば、信頼性の高いメモリ機能体やメモリ素子を製造することが可能となる。
【００２２】
一実施形態の微粒子含有体製造方法は、上記注入後に６００℃乃至８００℃の範囲内の温度で熱処理を行うことを特徴とする。
【００２３】
この一実施形態の微粒子含有体製造方法では、上記注入後に６００℃乃至８００℃の範囲内の温度で熱処理を行う。このように６００℃以上で熱処理することにより、注入時に発生した欠陥を修復することができる。また、８００℃以下で熱処理することにより、微粒子を構成する物質が拡散して微粒子が矮小化したり消滅したりすることを抑制できる。また、注入した銀元素を熱によって凝集あるいは拡散することによって微粒子を所望の大きさにしたり微粒子の密度を変化させたり、あるいは微粒子の分布を変化することができるので、より様々な所望の微粒子の形成状態を得ることが可能となる。したがって、所望の微粒子含有体を簡単な工程で製造できる。また、注入工程で生じた欠陥を回復することが可能となる。
【００２４】
一実施形態の微粒子含有体製造方法は、上記熱処理によって上記絶縁体中に注入された上記銀元素を拡散または凝集させて、上記絶縁体中で上記界面に沿って分布するようにナノメートルサイズの微粒子を形成することを特徴とする。
【００２５】
なお、「ナノメートルサイズ」とは１μｍ未満を指す。好ましくは、０．１ｎｍより大きく１０ｎｍより小さい範囲の大きさを意味する。
【００２６】
本発明者は微粒子含有体を製造する実験により次のような事実を発見した。すなわち、シリコン基板上に絶縁膜としての厚さ２５ｎｍのシリコン酸化膜を熱酸化により形成し、このシリコン酸化膜中に注入エネルギ１０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件で銀負イオンを注入した後、７００℃で１時間の熱処理を行った。すると、直径６ｎｍ〜７ｎｍの大きさをもつ銀微粒子が上記シリコン酸化膜深部のシリコン基板との界面近傍に略１列（断面視で）に並んで観測されたのである。シリコン基板との界面と銀微粒子表面との距離は２．５ｎｍであった。上記界面近傍では、シリコン酸化膜のＳｉＯ2分子位置は直下のシリコン基板の規則的なＳｉ配列により影響を受けるため、圧縮応力が存在する。このため、上記熱処理の際に、銀元素の熱拡散が上記圧縮応力によって阻止される。一方、シリコン酸化膜の上部では銀元素は絶縁膜の上方へ蒸発する。これらの結果、上記界面に沿ってナノメートルサイズの銀微粒子が２次元的に分布したと考えられる。
【００２７】
そこで、この一実施形態の微粒子含有体製造方法では、上述のように、上記熱処理によって上記絶縁体中に注入された上記銀元素を拡散または凝集させて、上記絶縁体中で上記界面に沿って分布するようにナノメートルサイズの微粒子を形成する。これにより、既述の微粒子の大きさと配置の条件を満たす微粒子含有体を、簡単な工程で製造できる。
【００２８】
この発明のメモリ機能体は、上記発明の微粒子含有体を備え、上記微粒子が電荷を蓄積する機能を有することを特徴とする。
【００２９】
この発明のメモリ機能体では、上記微粒子含有体が既述の微粒子の大きさと配置の条件を満たすお蔭で、上記基板との界面に沿って上記微粒子の密度は、従来例のものに比してばらつきが少なく、均一になっている。したがって、上記基板上の大面積にメモリ機能体を形成した後に、細かい面積に分割して複数のメモリ機能体を作製する場合、メモリ機能体間の性能ばらつきを抑制できる。したがって、量産に適する。
【００３０】
また、微粒子の位置がばらついて形成されることを抑制できるので、このメモリ機能体は容易に薄膜化される。したがって、メモリ機能体を小型化することができる。
【００３１】
この発明のメモリ素子は、上記発明の微粒子含有体を備え、上記微粒子が電荷を蓄積する機能を有することを特徴とする。
【００３２】
この発明のメモリ素子は、上記微粒子含有体が既述の微粒子の大きさと配置の条件を満たすお蔭で、上記メモリ機能体と同様に、容易に小型化される。また、量産性にも優れる。
【００３３】
この発明の電子機器は、上記メモリ機能体またはメモリ素子を備えたことを特徴とする。
【００３４】
この発明の電子機器は、上記メモリ機能体やメモリ素子を備えているので、容易に小型化される。また、量産性にも優れる。
【００３５】
別の局面では、この発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁体中に導電体元素を注入するイオン注入工程と、上記絶縁体中に注入された上記元素を拡散または凝集させてナノメートルサイズの導電体微粒子を形成させる熱処理工程を含む半導体装置の製造方法であって、上記イオン注入工程において上記元素は負イオン化されている。
【００３６】
この発明の半導体装置の製造方法によれば、注入される元素は負イオン化されているので、正イオンの場合のように絶縁体が高圧に帯電することがなく、絶縁体が破壊されたり欠陥が生じたり、あるいは注入深さがばらついたりすることが抑制される。
【００３７】
また熱処理工程を含むので注入した元素を熱によって凝集あるいは拡散することによって微粒子を所望の大きさにしたり微粒子の密度を変化させたり、あるいは微粒子の分布を変化することができるので、より様々な所望の微粒子の形成状態を得ることが可能となる。また、注入工程で生じた欠陥を回復することも可能となる。
【００３８】
したがって、簡単な工程で信頼性の高い半導体装置を製造することが可能となる。
【００３９】
なお、「導電体元素」とは金属元素や半導体元素などの導電体を形成する元素をさす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４１】
（第１実施形態）
図１（ａ）はこの発明の一実施形態の微粒子含有体の断面構造を模式的に示している。この微粒子含有体は、Ｓｉ基板４０上に形成された絶縁体としてのＳｉＯ2膜５０と、このＳｉＯ2膜５０中でＳｉ基板４０との界面４１近傍に配置された複数の微粒子６０，６０，…を備えている。各微粒子６０は複数のＡｇ原子が実質的に球形に凝集したものである。各微粒子６０の直径はおよそ６ｎｍ〜７ｎｍ程度になっている。
【００４２】
この微粒子含有体では、微粒子６０，６０，…は、次のような大きさと配置の条件を満たす。すなわち、上記界面４１に平行な或る方向（例えば図中の左方向）から２つの微粒子６０，６０を正射投影した場合、どちらか一方の微粒子の投影面積を１００としたとき他方の微粒子の投影面積は５０以上２００以下であり、かつ上記２つの微粒子の投影は少なくとも一部が重なり合う。複数の微粒子６０，６０，…はこのような大きさと配置の条件を満たす。
【００４３】
図１（ｂ）の模式図を用いて、この微粒子の大きさと配置の条件を説明する。この例では、図１（ｂ）において左方向から界面４１に平行な仮想直線Ｌに沿って正射投影するものとする。或る微粒子６０Ａを基準とし、その投影面積を１００とする。このとき、微粒子６０Ｂの投影面積は５０以上２００以下であり、かつ微粒子６０Ａ，６０Ｂの投影は一部が重なり合うので、２つの微粒子６０Ａ，６０Ｂは上記条件を満たす。同様に、微粒子６０Ｄの投影面積は５０以上２００以下であり、かつ微粒子６０Ａ，６０Ｄの投影は一部が重なり合うので、２つの微粒子６０Ａ，６０Ｂは上記条件を満たす。一方、微粒子６０Ｃについては、微粒子６０Ａ，６０Ｃの投影は一部が重なり合うが、微粒子６０Ｃの投影面積は５０以下であるから、上記条件を満たさない。また、微粒子６０Ａ，６０Ｅの投影は全く重なり合っていないので、微粒子６０Ｅは上記条件を満たさないし、同様に、微粒子６０Ａ，６０Ｆの投影は全く重なり合っていないので、微粒子６０Ｆは上記条件を満たさない。
【００４４】
図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて上記微粒子含有体の製造方法を説明する。
【００４５】
ｉ）  まず図２（ａ）のように基板としてのＳｉ基板４０の平坦な表面に熱酸化工程により絶縁体としてＳｉＯ2膜５０を形成する。この例では、ＳｉＯ2膜５０の膜厚はおおよそ２５ｎｍであった。なお、４１は熱酸化後のＳｉ基板４０とＳｉＯ2膜５０との平坦な界面を示している。
【００４６】
導電性物質であるＳｉ基板４０と絶縁体であるＳｉＯ2膜５０とは熱膨張係数が異なる。しかし、上記ＳｉＯ2膜５０はＳｉ基板４０を酸化した酸化物からなるので、Ｓｉ基板４０とＳｉＯ2膜５０とは密着性良く接合したものになっている。また、上記ＳｉＯ2膜５０は酸化により形成されるので、熱処理炉のような既存の半導体製造装置で形成が可能となり、特殊な設備を要しない。したがって、安価に製造が可能であり、さらに他の半導体装置と混載することも可能となり実用的である。
【００４７】
ii）  次に図２（ｂ）のように上記ＳｉＯ2膜５０中に微粒子を構成するためのＡｇ元素９０を負イオン注入法により導入する。
【００４８】
この例では、注入エネルギはおよそ１０ｋｅＶ、ドーズ量はおよそ５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2の条件でＡｇを導入した。
【００４９】
この製造方法では、イオン注入法を用いているので、ＣＶＤ法に較べて微粒子の高密度化が容易で生産性に優れる。また、注入されるＡｇ元素９０は負イオン化されているので、正イオンを注入する場合のように注入を受ける材料（ＳｉＯ2膜５０）の表面５０ａの電位が正イオンの加速電圧近くまで上昇することがなく、数ボルト程度の非常に低い値に収まる。すなわち、正イオン注入の場合には、正の電荷のイオンが材料表面５０ａに入射され、負の電荷の二次電子が放出されるために材料表面５０ａは正に帯電する一方である。したがって、最終的には正イオンの加速電圧まで上昇するのである。これに対して、負イオン注入の場合には、負の電荷のイオンが材料表面５０ａに入射され、負の電荷の二次電子が放出されるため材料表面５０ａには正の電荷が発生し、表面電位は±数ボルト程度に収まるのである。したがって、正イオン注入に比べて実効的な加速電圧の変動が少なくなり、そのために注入深さのばらつきを抑制することが可能になる。また、注入を受けるＳｉＯ2膜５０やそれを支持するＳｉ基板４０が殆ど帯電しないので、絶縁破壊等による欠陥の発生を抑制することも可能になる。
【００５０】
注入エネルギは、あまり高エネルギであると、注入分布が広がりすぎて薄膜への注入に相応しくなく、また膜へダメージを与えて欠陥を生じてしまう。このため、注入エネルギは３０ｋｅＶ未満で行うのが好ましく、１５ｋｅＶ未満で行うのがより好ましい。注入エネルギを１５ｋｅＶ未満にすれば、注入元素が絶縁体の広範囲に注入されて微粒子がばらついて形成されることを抑制することができる。
【００５１】
一方、注入エネルギは小さすぎると、イオンが材料（ＳｉＯ2膜５０）の表面５０ａ近傍にしか注入されず、後述する熱処理工程で、材料内へ拡散するＡｇ元素９０の量に比して材料外の空間へ蒸発して逃げる量が無視できなくなる。このため、注入エネルギは０．１ｋｅＶ以上で行うのが好ましく、０．５ｋｅＶ以上で行うのがより好ましい。
【００５２】
また、注入ドーズ量があまりに多いと、微粒子の粒径が大きくなりすぎ、微粒子間の間隔が狭すぎて融着を起こすし、また膜へのダメージも多くなる。このため、注入ドーズ量は１×１０20ｉｏｎｓ／ｃｍ2より少ないのが好ましく、１×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2より少ないのがより好ましく、５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2以下であるのがさらに好ましい。一方、注入ドーズ量が少なすぎると、微粒子の大きさや密度が小さくなりすぎて、電気的容量が小さ過ぎて電気的な素子として利用できなくなってしまう。このため、注入ドーズ量は１×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2より多いのが好ましく、５×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2より多いのがより好ましく、１×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2以上であるのがさらに好ましい。
【００５３】
iii）  次に、熱処理を行う。これにより、図２（ｃ）に示すように、上記ＳｉＯ2膜５０中に注入されたＡｇ元素９０を拡散または凝集させて、ＳｉＯ2膜５０中におけるＳｉ基板４０との界面４１近傍に上記界面４１に沿って分布するようにナノメートルサイズの微粒子を形成する。また、イオン注入時に発生した欠陥を修復する。
【００５４】
この例では、Ａｒ雰囲気中、７００℃で約１時間熱処理を行った。
【００５５】
熱処理の温度はあまり低いと効果がなく、あまりに高温であると注入元素は拡散、溶融して微粒子が形成できない。したがって、２００℃より高く注入元素の融点未満で行うことが好ましい。また同一温度であっても処理時間を長くすればその温度での効果は増大するがあまりに長いと粒径が大きくなりすぎたり、元素が微粒子を形成したい領域外まで拡散してしまうので、６時間より短いほうが好ましい。
【００５６】
例えば通常の熱処理炉であればＡｒやＮ2等の不活性雰囲気中、おおよそ３００℃〜９００℃程度がより好ましい。
【００５７】
また、この例では微粒子材料として銀を用いている。試みに銀の融点を超える９００℃で熱処理（アニール）を１時間行ったところ、銀は膜全体に拡散してしまい、所望の微粒子を形成することができなかった。したがって、銀を用いる場合には熱処理の温度はおよそ６００℃〜８００℃程度で行うの好ましい。
【００５８】
図３に示すように、このようにして作製した微粒子含有体の断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope; 透過型電子顕微鏡）によって観察した。これにより、ＳｉＯ2膜５０中におけるＳｉ基板４０との界面４１から２ｎｍ〜３ｎｍ離れた位置に、イオン注入されたＡｇが凝集してなる直径およそ６ｎｍ〜７ｎｍ程度のナノメートルサイズの微粒子６０，６０，…が、上記界面４１に沿って、互いに離間して略均一に分布していることが分かる。この微粒子含有体の構成は、図１（ｂ）の模式図を用いて説明した微粒子の大きさと配置の条件を満たすものである。
【００５９】
この微粒子の大きさと配置の条件を満たすお蔭で、上記界面４１に沿って上記微粒子６０の密度は、従来例のものに比してばらつきが少なく、均一になる。したがって、上記Ｓｉ基板４０上の大面積に微粒子６０，６０，…を形成した後に、細かい面積に分割しても、分割した部分によって違いは少ない。したがって、上記微粒子含有体を用いた機能素子を作製する場合、素子間の性能ばらつきを抑制でき、量産に適する。例えば微粒子６０に電荷蓄積機能を持たせたメモリ素子を作製する場合、メモリ素子間の性能ばらつきを抑制できる。したがって、量産に適する。また、信頼性の高いメモリ機能体やメモリ素子を実現できる。
【００６０】
このように、この微粒子含有体製造方法によれば、所望の微粒子含有体を簡単な工程で製造できる。何度も工程を繰り返したり、ナノスケールの微細加工技術を用いることがないので、生産性が良い。量産性に優れる。
【００６１】
上の例では、絶縁体として厚さ２５ｎｍのシリコン酸化膜を用いたが、素子に応用する場合には小型の方が好ましいので、より薄膜化した母体により小さな微粒子を形成することが好ましい。微粒子の大きさは膜厚を超えないことが要請されるので、薄膜化に従い、微粒子も小径化する必要がある。例えば、シリコン酸化膜を約半分の１３ｎｍ程度に薄膜化した場合には、注入エネルギは約５ｋｅＶ、注入量はおおよそ１×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2〜３×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2程度とするのが好ましい。微粒子の大きさがあまりに小さいと容量が小さくすぎるので、注入量はおおよそ５×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2〜５×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2程度とするのが実用的である。
【００６２】
また、上の例では、微粒子を構成すべき元素としてＡｇを用いたが、Ａｕ、Ｃｕなどの他の金属や、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体等の導電体を用いることができる。また、微粒子を保持する母体としてＳｉ基板上の熱酸化膜の例をあげたが、Ａｌ基板上のアルミナやＳｉ基板上のＳｉＧｅ等を用いることができる。その他、熱膨張係数の異なる物質を密着性よく高温で作製した基板を用いることができる。
【００６３】
また、熱膨張係数の異なる物質を高温で張り合わせて、その後冷却して一方の物質を微粒子を保持する母体とすることができる。
【００６４】
（第２実施形態）
図４は、上記微粒子含有体を備え、微粒子６０が電荷を蓄積する機能を有するメモリ機能体の断面構造を模式的に示している。
【００６５】
このメモリ機能体は、図１（ａ）の構成に加えて、ＳｉＯ2膜５０の表面５０ａに接してＡｌ電極７０を形成したものである。電極７０の材料は導電性の物質であればなんでも良い。
【００６６】
このメモリ機能体のＳｉ基板４０とＡｌ電極７０との間に電圧を印加し、容量Ｃ（Ｆ）−電圧Ｖｇ（Ｖ）測定を行ったところ、ヒステリシス特性を示す結果が得られた。したがって、このメモリ機能体のＳｉ基板４０とＡｌ電極７０との間に電圧を加えたときの容量の大小を比較することで、２値の判別を行うことができる。つまり、このメモリ機能体に２値の情報を記憶させることができる。
【００６７】
また、このメモリ機能体では、図１（ｂ）の模式図を用いて説明した微粒子の大きさと配置の条件を満たすお蔭で、上記界面４１に沿って微粒子６０の密度は、従来例のものに比してばらつきが少なく、均一になっている。したがって、上記Ｓｉ基板４０上の大面積にメモリ機能体を形成した後に、細かい面積に分割して複数のメモリ機能体を作製する場合、メモリ機能体間の性能ばらつきを抑制できる。したがって、量産に適する。
【００６８】
また、このメモリ機能体は、イオン注入法を用いて作製されるので、ＣＶＤ法などの他の方法を用いる場合に比して処理時間が短くなり、生産性に優れる。
【００６９】
また、負イオン注入法を用いて作製されるので、ＳｉＯ2膜５０は単一熱酸化膜と同等の品質を維持しており非常に信頼性が高い。さらに、帯電による注入のばらつきが抑えられるため、微粒子６０の位置が膜厚方向にばらついて形成されることを抑制できるので、このメモリ機能体は容易に薄膜化される。したがって、メモリ素子を小型化することができる。
【００７０】
メモリ機能体を薄膜化した場合、電極間に同じ電圧を加えてもＳｉＯ2膜５０にかかる実効電場が強くなる。したがって、低電圧化が可能となり、そのようなメモリ機能体は生産性および低消費電力性に優れる。
【００７１】
また、このようなメモリ機能体を一般的なＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）のキャパシタとして用いれば、リフレッシュが必要ないか、少なくともリフレッシュ回数を大幅に削減できる低消費ＤＲＡＭが実現可能となる。詳しくは、上記メモリ機能体の微粒子６０は一般的なＤＲＡＭに用いられている平行平板型キャパシタと異なり離散的に電荷を蓄積することができるため、電荷リークを抑制することができる。したがって、リフレッシュ回数を抑制できる。また、上記メモリ機能体の微粒子６０は、電極としてのＳｉ基板４０との界面４１の近傍に、界面４１との距離のばらつきを少ない状態に分布している。したがって、上記メモリ機能体を用いたキャパシタは容量のばらつきを少なくすることが可能である。
【００７２】
また、上の例では、Ｓｉ基板４０は平坦な表面を持ち、それに応じて熱酸化後のＳｉ基板４０とＳｉＯ2膜５０との界面４１は平坦になっていたが、これに限られるものではない。例えば図６中に示すように、Ｓｉ基板４０とＳｉＯ2膜５０との界面が斜面４１ａ，４１ｂになっていても良い。この場合、上記熱処理によって、銀微粒子６０は各斜面４１ａ，４１ｂに沿って形成される。この性質を利用して、様々な形態の素子を作製することができる。
【００７３】
例えば図７に示すように、Ｓｉ基板４０の表面に断面凹状の溝４０ａ，４０ｂ，４０ｃが形成され、Ｓｉ基板４０とＳｉＯ2膜５０との界面４１が凹凸をなしているものとする。この場合、銀微粒子６０は、界面４１の近傍に界面４１の凹凸に沿って形成される。Ｓｉ基板４０の溝４０ａ，４０ｂ，４０ｃに対応して対向電極７０が凸部７０ａ，７０ｂを備えれば、Ｓｉ基板４０と電極７０との間の対向面積が増加して、全体の容量が増加する。したがって、微細化した場合に容量が不足することを防ぐことができる。
【００７４】
ＤＲＡＭなど誘電率の高い絶縁体を用いる方が好ましい場合には酸化タンタルや酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム等の絶縁体中に微粒子を備えることは好ましい。
【００７５】
また、ＦｅＲＡＭの強誘電体のような特殊な材料を用いる必要もないので簡単な工程で作製でき生産性にも優れる。
【００７６】
なお微粒子の大きさは大きすぎると微細化できず小さすぎるとメモリ機能が低下するので、ナノメートルサイズ、すなわち１μｍ未満の微粒子、好ましくは０．１ｎｍより大きく１０ｎｍより小さい範囲の微粒子が多数となるように形成する。
【００７７】
（第３実施形態）
図５は、上記微粒子含有体を備え、微粒子６０が電荷を蓄積する機能を有するメモリ素子としてのトランジスタの断面構造を模式的に示している。
【００７８】
このメモリ素子は、図４のメモリ機能体の構成に加えて、ゲート絶縁膜としてのＳｉＯ2膜５０の両側に相当するＳｉ基板４０表面に、ソース領域８１、ドレイン領域８２を備えている。７０はゲート電極として働く。
【００７９】
このトランジスタを作製するためには、上記微粒子含有体上にゲート電極材料としてＡｌ膜を形成した後、フォトリソグラフィとエッチングによってゲート電極７０をパターン形成する。続いて、通常のソース、ドレイン注入を行って、ＳｉＯ2膜５０の両側に相当するＳｉ基板４０表面にソース領域８１、ドレイン領域８２を設ける。さらに通常の方法によって配線工程を行う（トランジスタ作製完了）。
【００８０】
このようにして作製したトランジスタでは、第２実施形態において述べたメモリ機能体の容量の大小に対応して閾値の大小が見られた。すなわち、書き込み消去を行う場合は、フローテイングゲート型メモリと同様にゲートに十分大きな正または負の電圧を印加する。読み出しを行う場合は、ソース、ドレイン間に流れる電流を検出する。このトランジスタでは、ゲートに＋１５Ｖ印加した直後と−１５Ｖ印加した直後との間で閾値にしておよそ２Ｖの差が生じた。したがって、このトランジスタはフラッシュメモリなどと同様のメモリ動作を行うことができる。
【００８１】
また、メモリ素子としてのこのトランジスタは、薄膜化が可能であるので、微細化、低電圧化が可能である。さらにフラッシュメモリのような複雑な工程を必要とせず、強誘電体メモリのように特殊な材料を用いていないため、生産性に優れる。
【００８２】
なお、ゲート絶縁膜５０の厚さが約２５ｎｍ程度の場合を示したが、更に薄膜化が可能であるのはいうまでもない。微粒子の大きさより薄くならない範囲で好ましくは１０ｎｍ未満とすることが好ましい。そのようにした場合、低電圧化が可能であり、１０Ｖ未満で駆動可能となる。
【００８３】
本発明の微粒子含有体は、その生産の容易性と従来のシリコンプロセスとの親和性から、メモリ機能体やメモリ素子をはじめとする様々な素子に好ましく適用することができる。また、そのようなメモリ機能体やメモリ素子は携帯電話をはじめ集積回路を用いるあらゆる電子機器およびシステムに組み込み可能である。そして、それらの電子機器およびシステムは小型化、低消費電力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】この発明の一実施形態の微粒子含有体の断面構造を示す図である。
【図２】上記微粒子含有体を製造する製造方法を説明する工程図である。
【図３】作製した微粒子含有体の断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope; 透過型電子顕微鏡）によって観察した写真を示す図である。
【図４】上記微粒子含有体を備えたメモリ機能体の断面構造を示す図である。
【図５】上記微粒子含有体を備えたメモリ素子としてのトランジスタの断面構造を示す図である。
【図６】Ｓｉ基板とＳｉＯ2膜との界面が斜面になってい微粒子含有体を示す図である。
【図７】上記微粒子含有体をキャパシタとして備えたＤＲＡＭの例であって、Ｓｉ基板の表面が凹凸を有するものを示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
４０  Ｓｉ基板
４１  界面
５０  ＳｉＯ2膜
６０  銀微粒子
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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