JP2001110916A - 強誘電体ゲートcmosトランジスタ - Google Patents
強誘電体ゲートcmosトランジスタInfo
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- JP2001110916A JP2001110916A JP28267599A JP28267599A JP2001110916A JP 2001110916 A JP2001110916 A JP 2001110916A JP 28267599 A JP28267599 A JP 28267599A JP 28267599 A JP28267599 A JP 28267599A JP 2001110916 A JP2001110916 A JP 2001110916A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】ゲート絶縁膜として強誘電体膜とバッファ膜と
の積層膜を用いた強誘電体ゲートCMOSトランジスタ
において、動作の安定化を図る。 【解決手段】隣接するnチャネルMOSトランジスタと
pチャネルMOSトランジスタとのバッファ膜14、2
4を一体とし、そのバッファ膜上に中間金属膜16を設
け、それぞれのトランジスタの強誘電体膜12、22、
ゲート電極13、23を設ける。
の積層膜を用いた強誘電体ゲートCMOSトランジスタ
において、動作の安定化を図る。 【解決手段】隣接するnチャネルMOSトランジスタと
pチャネルMOSトランジスタとのバッファ膜14、2
4を一体とし、そのバッファ膜上に中間金属膜16を設
け、それぞれのトランジスタの強誘電体膜12、22、
ゲート電極13、23を設ける。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体をゲート
絶縁膜として用いた強誘電体ゲートCMOSトランジス
タに関する。
絶縁膜として用いた強誘電体ゲートCMOSトランジス
タに関する。
【0002】
【従来の技術】pチャネルMOSトランジスタとnチャ
ネルMOSトランジスタとを組み合わせた相補型のいわ
ゆるCMOSトランジスタのゲート絶縁膜として強誘電
体膜を用い、その強誘電体の自発分極を利用してオン、
オフ状態を保持する強誘電体ゲートCMOSトランジス
タの開発が盛んにおこなわれている。
ネルMOSトランジスタとを組み合わせた相補型のいわ
ゆるCMOSトランジスタのゲート絶縁膜として強誘電
体膜を用い、その強誘電体の自発分極を利用してオン、
オフ状態を保持する強誘電体ゲートCMOSトランジス
タの開発が盛んにおこなわれている。
【0003】図2(a)は、各種の構造を取りうる強誘
電体ゲートCMOSトランジスタの一例の保護絶縁膜を
透視した平面図、図2(b)、(c)はそれぞれ図2
(a)のA−A線、B−B線にそった断面図である。
電体ゲートCMOSトランジスタの一例の保護絶縁膜を
透視した平面図、図2(b)、(c)はそれぞれ図2
(a)のA−A線、B−B線にそった断面図である。
【0004】図2(a)において、nチャネルトランジ
スタn−chとpチャネルトランジスタp−chとが接
近して形成されている。それぞれのトランジスタには、
ソース領域17a、27a、ドレイン領域18a、28
aとそれらの領域に接触してソース電極17b、17
b、ドレイン電極18b、28bが設けられている。1
5は、半導体基板11の表面層に設けられたp−chの
nウェル領域である。
スタn−chとpチャネルトランジスタp−chとが接
近して形成されている。それぞれのトランジスタには、
ソース領域17a、27a、ドレイン領域18a、28
aとそれらの領域に接触してソース電極17b、17
b、ドレイン電極18b、28bが設けられている。1
5は、半導体基板11の表面層に設けられたp−chの
nウェル領域である。
【0005】図2(b)、(c)において、ソース領域
とドレイン領域の間に、バッファ膜14、24、強誘電
体膜12、22を介してゲート電極13、23が設けら
れているのが見られる。
とドレイン領域の間に、バッファ膜14、24、強誘電
体膜12、22を介してゲート電極13、23が設けら
れているのが見られる。
【0006】ゲート部の構成が金属のゲート電極/強誘
電体膜/バッファ膜/半導体基板(この例ではシリコ
ン、以下Siと記す)という層構成になっている。この
ようにした理由は幾つかあるが、主な理由として、強
誘電体膜とSi基板との間の相互拡散の防止、Si基
板とゲート絶縁膜との間の良好な界面状態の保持、が挙
げられる。
電体膜/バッファ膜/半導体基板(この例ではシリコ
ン、以下Siと記す)という層構成になっている。この
ようにした理由は幾つかあるが、主な理由として、強
誘電体膜とSi基板との間の相互拡散の防止、Si基
板とゲート絶縁膜との間の良好な界面状態の保持、が挙
げられる。
【0007】図2のCMOSトランジスタでは、nチャ
ネルトランジスタn−ch、pチャネルトランジスタp
−chのドレイン電極18b、28bが配線20で短絡
され、ソース電極17b、27bはそれぞれ、電源電位
VDD、GND電位に保たれている。またゲート電極1
3、23も配線20で短絡されている。
ネルトランジスタn−ch、pチャネルトランジスタp
−chのドレイン電極18b、28bが配線20で短絡
され、ソース電極17b、27bはそれぞれ、電源電位
VDD、GND電位に保たれている。またゲート電極1
3、23も配線20で短絡されている。
【0008】図3は、このCMOSトランジスタを表し
た等価回路図である。この回路の動作は、ゲート電極1
3、23への入力電位VINに応じてnチャネルトランジ
スタn−ch、pチャネルトランジスタp−chのいず
れか一方がオンし、出力電位VOUT がVDDとGNDとの
間で変化するものである。
た等価回路図である。この回路の動作は、ゲート電極1
3、23への入力電位VINに応じてnチャネルトランジ
スタn−ch、pチャネルトランジスタp−chのいず
れか一方がオンし、出力電位VOUT がVDDとGNDとの
間で変化するものである。
【0009】特にゲート絶縁膜として強誘電体膜12、
22を用いているので、ゲート電極13、23に電圧を
印加したとき、強誘電体膜12、22が分極し、その電
圧を取り除いても、強誘電体膜12または22が分極し
たままとなるため、データの保持が可能である。
22を用いているので、ゲート電極13、23に電圧を
印加したとき、強誘電体膜12、22が分極し、その電
圧を取り除いても、強誘電体膜12または22が分極し
たままとなるため、データの保持が可能である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図2のゲート
部は、電気的には二つのコンデンサの直列と等価であ
る。つまり、強誘電体膜の静電容量Cf とバッファ膜の
静電容量Ci とが直列接続されていることになる。
部は、電気的には二つのコンデンサの直列と等価であ
る。つまり、強誘電体膜の静電容量Cf とバッファ膜の
静電容量Ci とが直列接続されていることになる。
【0011】いま、ゲート電極に電圧Vが印加されたと
き、強誘電体膜とバッファ膜の電荷、分担電圧、比誘電
率をそれぞれQf 、Qi 、Vf 、Vi 、εf 、εi 、と
すると、コンデンサの合成の静電容量および簡単な電磁
気学の計算より、次式が成り立つ。
き、強誘電体膜とバッファ膜の電荷、分担電圧、比誘電
率をそれぞれQf 、Qi 、Vf 、Vi 、εf 、εi 、と
すると、コンデンサの合成の静電容量および簡単な電磁
気学の計算より、次式が成り立つ。
【0012】Vf =(Ci /Cf )・Vi バッファ膜が例えばSi酸化膜であると、強誘電体膜の
比誘電率は大きい(後述のジルコニウムチタン酸鉛で比
誘電率1000)ため、Cf >>Ci となり、強誘電体
膜には小さな電圧しか印加されないことになる。する
と、強誘電体膜が十分に分極されず、ゲート電極の電圧
を取り去った際の残留分極は更に小さくなる。
比誘電率は大きい(後述のジルコニウムチタン酸鉛で比
誘電率1000)ため、Cf >>Ci となり、強誘電体
膜には小さな電圧しか印加されないことになる。する
と、強誘電体膜が十分に分極されず、ゲート電極の電圧
を取り去った際の残留分極は更に小さくなる。
【0013】つまり、強誘電体膜の自発分極が小さくな
り、トランジスタでデータの保持がおこなわれないこと
になる。
り、トランジスタでデータの保持がおこなわれないこと
になる。
【0014】この問題に鑑み本発明の目的は、強誘電体
膜が適当な大きさのゲート電圧で十分に自発分極し、か
つ残留分極も大きくて、データの保持が確実におこなわ
れる強誘電体ゲートCMOSトランジスタを提供するこ
とにある。
膜が適当な大きさのゲート電圧で十分に自発分極し、か
つ残留分極も大きくて、データの保持が確実におこなわ
れる強誘電体ゲートCMOSトランジスタを提供するこ
とにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】そこで上記課題解決のた
め本発明は、強誘電体膜をゲート絶縁膜とするnチャネ
ルMOSトランジスタとpチャネルMOSトランジスタ
とを併置した強誘電体ゲートCMOSトランジスタにお
いて、ソース領域、ドレイン領域間の半導体層の表面上
に、隣接するnチャネルMOSトランジスタとpチャネ
ルMOSトランジスタとで一体とされたバッファ膜を有
し、そのバッファ膜上に中間金属膜を有し、その中間金
属膜上にそれぞれのMOSトランジスタの強誘電体を介
してゲート電極を設けるものとする。
め本発明は、強誘電体膜をゲート絶縁膜とするnチャネ
ルMOSトランジスタとpチャネルMOSトランジスタ
とを併置した強誘電体ゲートCMOSトランジスタにお
いて、ソース領域、ドレイン領域間の半導体層の表面上
に、隣接するnチャネルMOSトランジスタとpチャネ
ルMOSトランジスタとで一体とされたバッファ膜を有
し、そのバッファ膜上に中間金属膜を有し、その中間金
属膜上にそれぞれのMOSトランジスタの強誘電体を介
してゲート電極を設けるものとする。
【0016】ある物質を挟む平行平板における静電容量
は、 C=ε×A/t である。ここで、ε:物質の誘電率、t:距離ここでは
膜厚、A:面積である。よって、 Cf =ε0 ・εf ×Af /tf Ci =ε0 ・εi ×Ai /ti である。ここで εf 、εi はそれぞれ強誘電体膜、バ
ッファ膜の比誘電率、ε 0 は真空の誘電率である。
は、 C=ε×A/t である。ここで、ε:物質の誘電率、t:距離ここでは
膜厚、A:面積である。よって、 Cf =ε0 ・εf ×Af /tf Ci =ε0 ・εi ×Ai /ti である。ここで εf 、εi はそれぞれ強誘電体膜、バ
ッファ膜の比誘電率、ε 0 は真空の誘電率である。
【0017】強誘電体膜に大きな電圧を印加するには Cf ≦Ci (1) となるようにすれば良い。
【0018】通常εrf>εriなので、nチャネルトラン
ジスタn−ch、pチャネルトランジスタp−chのバ
ッファ膜を一体として面積Ai を大きくすれば、Ci を
大きくすることができる。
ジスタn−ch、pチャネルトランジスタp−chのバ
ッファ膜を一体として面積Ai を大きくすれば、Ci を
大きくすることができる。
【0019】また、(1)式を満たすように強誘電体膜
の厚さをバッファ膜のそれより厚くすれば、Cf を小さ
くすることができる。
の厚さをバッファ膜のそれより厚くすれば、Cf を小さ
くすることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下図面を参照しながら本発明の
実施の形態を説明する。図1(a)は、本発明にかかる
CMOSトランジスタの保護絶縁膜を透視した平面図、
図1(b)、(c)はそれぞれ図1(a)のC−C線、
D−D線にそった断面図である。
実施の形態を説明する。図1(a)は、本発明にかかる
CMOSトランジスタの保護絶縁膜を透視した平面図、
図1(b)、(c)はそれぞれ図1(a)のC−C線、
D−D線にそった断面図である。
【0021】図1(a)において、nチャネルトランジ
スタn−chとpチャネルトランジスタp−chとが接
近して形成されている。それぞれのトランジスタは、ソ
ース領域17a、27a、ドレイン領域18a、28a
とそれらの領域に接触してソース電極17b、27b、
ドレイン電極18b、28bが設けられているのは、図
2の従来のCMOSトランジスタと同じである。13、
23はゲート電極、15は、半導体基板11の表面層に
設けられたp−chのnウェル領域である。20はゲー
ト電極13、23、ドレイン電極18b、28bを短絡
する配線である。
スタn−chとpチャネルトランジスタp−chとが接
近して形成されている。それぞれのトランジスタは、ソ
ース領域17a、27a、ドレイン領域18a、28a
とそれらの領域に接触してソース電極17b、27b、
ドレイン電極18b、28bが設けられているのは、図
2の従来のCMOSトランジスタと同じである。13、
23はゲート電極、15は、半導体基板11の表面層に
設けられたp−chのnウェル領域である。20はゲー
ト電極13、23、ドレイン電極18b、28bを短絡
する配線である。
【0022】図1(b)は図1(a)のC−C線にそっ
た、p−chの断面図である。図2のCMOSトランジ
スタとの違いは、ゲート部の構造に見られ、バッファ膜
24の上に中間金属膜16を介して強誘電体膜22、ゲ
ート電極23が設けられている。
た、p−chの断面図である。図2のCMOSトランジ
スタとの違いは、ゲート部の構造に見られ、バッファ膜
24の上に中間金属膜16を介して強誘電体膜22、ゲ
ート電極23が設けられている。
【0023】図1(c)は図1(a)のD−D線にそっ
た断面図である。バッファ膜14、24が一体とされ、
その上にモリブデン(Mo)の中間金属膜16が設けら
れている点で図2のCMOSトランジスタと違ってい
る。19はほう素燐ガラス等の保護絶縁膜である。
た断面図である。バッファ膜14、24が一体とされ、
その上にモリブデン(Mo)の中間金属膜16が設けら
れている点で図2のCMOSトランジスタと違ってい
る。19はほう素燐ガラス等の保護絶縁膜である。
【0024】例えば、強誘電体膜12、22にはジルコ
ニウムチタン酸鉛[以下Pb(Zr、Ti)O3 と記
す]、バッファ膜14、24にはチタン酸ストロンチウ
ム[以下SrTiO3 と記す]を用いる。
ニウムチタン酸鉛[以下Pb(Zr、Ti)O3 と記
す]、バッファ膜14、24にはチタン酸ストロンチウ
ム[以下SrTiO3 と記す]を用いる。
【0025】Pb(Zr、Ti)O3 、SrTiO3 の
比誘電率はそれぞれ1000、332である。強誘電体
膜のゲート長Lf 、ゲート幅Wf ,膜厚df をそれぞれ
1μm、3μm、150nmとする。バッファ膜の幅W
i 、膜厚ti を10μm、150nmとする。このよう
にすれば、バッファ膜の容量が大きくなってCi ≒Cf
となり、強誘電体膜に大きな電圧が印加されるようにな
る。
比誘電率はそれぞれ1000、332である。強誘電体
膜のゲート長Lf 、ゲート幅Wf ,膜厚df をそれぞれ
1μm、3μm、150nmとする。バッファ膜の幅W
i 、膜厚ti を10μm、150nmとする。このよう
にすれば、バッファ膜の容量が大きくなってCi ≒Cf
となり、強誘電体膜に大きな電圧が印加されるようにな
る。
【0026】(1)式を満たせば強誘電体膜の材料とし
ては、他にもさまざまなものが選択できる。例えば、ビ
スマスタンタル酸ストロンチウム(SrBi2 Ta2 O
9 )ニオブ酸ストロンチウム(Sr2 Nb2 O7 )チタ
ン酸ビスマス(Bi4 Ti3O12)、マンガン酸イット
リウム(YMnO3 )などがある。バッファ膜の材料に
もまた多種あり、ここで挙げたSrTiO3 の他に、酸
化セリウム(CeO2)、酸化イットリウム(Y
2 O3 )、酸化マグネシウム(MgO)、酸化けい素
(SiO2 )などが使用できる。
ては、他にもさまざまなものが選択できる。例えば、ビ
スマスタンタル酸ストロンチウム(SrBi2 Ta2 O
9 )ニオブ酸ストロンチウム(Sr2 Nb2 O7 )チタ
ン酸ビスマス(Bi4 Ti3O12)、マンガン酸イット
リウム(YMnO3 )などがある。バッファ膜の材料に
もまた多種あり、ここで挙げたSrTiO3 の他に、酸
化セリウム(CeO2)、酸化イットリウム(Y
2 O3 )、酸化マグネシウム(MgO)、酸化けい素
(SiO2 )などが使用できる。
【0027】中間金属膜16の材料としてはMoの他
に、タングステン(W)、チタン(Ti)、窒化チタン
(TiN)、アルミニウム(Al)などの導体を用いる
ことができる。これにより強誘電体膜とバッファ膜との
間の相互拡散を防止できる利点もある。
に、タングステン(W)、チタン(Ti)、窒化チタン
(TiN)、アルミニウム(Al)などの導体を用いる
ことができる。これにより強誘電体膜とバッファ膜との
間の相互拡散を防止できる利点もある。
【0028】なお、上の実施例ではゲート電極13、2
3を強誘電体膜12、22と同じ大きさとしたが、ゲー
ト電極13、23の大きさを強誘電体膜12、22の大
きさより小さくすれば、更にCf を小さくできる。
3を強誘電体膜12、22と同じ大きさとしたが、ゲー
ト電極13、23の大きさを強誘電体膜12、22の大
きさより小さくすれば、更にCf を小さくできる。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、強
誘電体ゲートCMOSトランジスタにおいて、隣接する
nチャネルMOSトランジスタとpチャネルMOSトラ
ンジスタとでバッファ膜を一体とし、そのバッファ膜上
に中間金属膜を設け、それぞれのトランジスタの強誘電
体膜、ゲート電極を設けることにより、強誘電体膜が適
当な大きさのゲート電圧で十分に自発分極し、かつ残留
分極も大きくて、データの保持が確実におこなわれる強
誘電体ゲートCMOSトランジスタを提供することがで
きる。更に強誘電体膜、バッファ膜の材料に制限される
ことなくトランジスタを製作できる。
誘電体ゲートCMOSトランジスタにおいて、隣接する
nチャネルMOSトランジスタとpチャネルMOSトラ
ンジスタとでバッファ膜を一体とし、そのバッファ膜上
に中間金属膜を設け、それぞれのトランジスタの強誘電
体膜、ゲート電極を設けることにより、強誘電体膜が適
当な大きさのゲート電圧で十分に自発分極し、かつ残留
分極も大きくて、データの保持が確実におこなわれる強
誘電体ゲートCMOSトランジスタを提供することがで
きる。更に強誘電体膜、バッファ膜の材料に制限される
ことなくトランジスタを製作できる。
【0030】従って本発明は、不揮発性メモリ等の発展
および普及に大きな貢献をなすものである。
および普及に大きな貢献をなすものである。
【図1】(a)は本発明のCMOSトランジスタの平面
図、(b)、(c)はそれぞれ(a)のC−C線、D−
D線に沿った断面図
図、(b)、(c)はそれぞれ(a)のC−C線、D−
D線に沿った断面図
【図2】(a)は従来のCMOSトランジスタの平面
図、(b)、(c)はそれぞれ(a)のA−A線、B−
B線に沿った断面図
図、(b)、(c)はそれぞれ(a)のA−A線、B−
B線に沿った断面図
【図3】CMOSトランジスタの回路図
11 半導体基板 12、22 強誘電体膜 13、23 ゲート電極 14、24 バッファ膜 15 nウェル領域 16 中間金属膜 17a、27a ソース領域 17b、27b ソース電極 18a、18b ドレイン領域 18b、28b ドレイン電極 19 絶縁保護膜 20 配線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 27/10 451 Fターム(参考) 5F001 AA17 AB09 AD52 AD61 AE02 AF06 5F048 AB01 AC03 BB09 BB11 BB14 5F083 FR07 FR10 JA02 JA14 JA15 JA17 JA36 JA39 JA40 JA56 5F101 BA62 BB17 BD33 BD36 BE05 BF02
Claims (2)
- 【請求項1】強誘電体膜をゲート絶縁膜とするnチャネ
ルMOSトランジスタとpチャネルMOSトランジスタ
とを併置した強誘電体ゲートCMOSトランジスタにお
いて、ソース領域、ドレイン領域間の半導体層の表面上
に、隣接するnチャネルMOSトランジスタとpチャネ
ルMOSトランジスタとで一体とされたバッファ膜を有
し、そのバッファ膜上に中間金属膜を有し、その中間金
属膜上にそれぞれのMOSトランジスタの強誘電体を介
してゲート電極を設けることを特徴とする強誘電体ゲー
トCMOSトランジスタ - 【請求項2】前記強誘電体膜の静電容量をCf 、前記バ
ッファ膜の静電容量をCi とするとき、Cf ≦Ci を満
たすことを特徴とする請求項1に記載の強誘電体ゲート
電界効果トランジスタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28267599A JP2001110916A (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 強誘電体ゲートcmosトランジスタ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28267599A JP2001110916A (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 強誘電体ゲートcmosトランジスタ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001110916A true JP2001110916A (ja) | 2001-04-20 |
Family
ID=17655602
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP28267599A Pending JP2001110916A (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 強誘電体ゲートcmosトランジスタ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001110916A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001267514A (ja) * | 2000-03-16 | 2001-09-28 | Yasuo Tarui | トランジスタ型強誘電体不揮発性記憶素子 |
US6812083B2 (en) * | 2002-12-18 | 2004-11-02 | Ememory Technology Inc. | Fabrication method for non-volatile memory |
JP2006005363A (ja) * | 2004-06-17 | 2006-01-05 | Samsung Electronics Co Ltd | 相補型不揮発性メモリ素子、その動作方法、その製造方法、及びそれを含む論理素子、並びに半導体装置とその読み込み動作回路 |
-
1999
- 1999-10-04 JP JP28267599A patent/JP2001110916A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7719871B2 (en) | 2004-06-17 | 2010-05-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Methods of operating and manufacturing logic device and semiconductor device including complementary nonvolatile memory device, and reading circuit for the same |
JP4542469B2 (ja) * | 2004-06-17 | 2010-09-15 | 三星電子株式会社 | 相補型不揮発性メモリ素子、その動作方法、その製造方法、及びそれを含む論理素子、並びに半導体装置とその読み込み動作回路 |
US8139387B2 (en) | 2004-06-17 | 2012-03-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of erasing a memory device including complementary nonvolatile memory devices |
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