JP2001156265A - 不揮発性強誘電体メモリ素子並びにその製造方法 - Google Patents

不揮発性強誘電体メモリ素子並びにその製造方法

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JP2001156265A
JP2001156265A JP2000340188A JP2000340188A JP2001156265A JP 2001156265 A JP2001156265 A JP 2001156265A JP 2000340188 A JP2000340188 A JP 2000340188A JP 2000340188 A JP2000340188 A JP 2000340188A JP 2001156265 A JP2001156265 A JP 2001156265A
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ferroelectric
forming
ferroelectric capacitor
gate electrode
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10B53/00Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
    • HELECTRICITY
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    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
    • H10B53/30Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors characterised by the memory core region

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工程を簡素化し、厚さが薄く、かつキャパシ
タの接続が少ない不揮発性強誘電体メモリ素子並びにそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】 プレートラインを使用しないスプリット
ワードライン構成とし、トランジスタを絶縁するように
基板上に形成させた絶縁層に設けたトレンチにキャパシ
タをその第1電極が基板に直接接触するように形成させ
た。また、トランジスタのゲート電極を当該トランジス
タのゲートの部分にのみ形成させた。そして、第1セル
のトランジスタのゲート電極と第2セルのキャパシタを
ワードライン方向に並べ、そのトランジスタのゲート電
極と第2セルのキャパシタの第2電極とを共通のライン
で結んだ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関する
もので、特に、不揮発性強誘電体メモリ素子並びにその
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、不揮発性強誘電体メモリ、つま
りFRAM(Ferroelectric Random Access Memory)は
DRAM程度のデータ処理速度を有し、電源のオフ時に
もデータが保存される特性のため、次世代記憶素子とし
て注目を浴びている。FRAMはDRAMとほぼ同じ構
造を有する記憶素子であって、キャパシタの材料として
強誘電体を用いて、強誘電体の特性である高い残留分極
を利用したものである。このような残留分極の特性のた
め電界を除去してもデータが保存される。
【0003】図1は一般的な強誘電体のヒステリシスル
ープを示す特性図である。図1に示すように、強誘電体
は、電界により誘起された分極が電界を除去しても残留
分極(又は自発分極)の存在によって消滅されず、一定
量(d,a状態)を維持していることが分かる。不揮発
性強誘電体メモリセルは前記d,a状態をそれぞれ1,
0に対応させ記憶素子として応用したものである。
【0004】以下、従来技術による不揮発性強誘電体メ
モリ素子の駆動回路を添付の図面に基づいて説明する。
【0005】図2は従来の不揮発性強誘電体メモリ素子
の単位セルを示すものである。図2に示すように、一方
向に形成されたビットライン(B/L)と、そのビット
ラインと交差する方向に形成されたワードライン(W/
L)と、ワードラインに一定の間隔をおいてワードライ
ンと同一の方向に形成されたプレートライン(P/L)
と、ゲートがワードラインに連結されドレインはビット
ラインに連結されるトランジスタ(T1)と、2端子中
第1端子がトランジスタ(T1)のソースに連結され、
第2端子はプレートライン(P/L)に連結される強誘
電体キャパシタ(FC1)とからなる。
【0006】このような従来の不揮発性強誘電体メモリ
素子のデータ入/出力動作は次の通りである。図3aは
従来の不揮発性強誘電体メモリ装置の書込みモードの動
作を示すタイミング図であり、図3bは読み出しモード
の動作を示すタイミング図である。まず、書込みモード
の場合、外部から印加されるチップイネーブル信号(C
SBpad)が「ハイ」から「ロー」に活性化され、同
時に書込みイネーブル信号(WEBpad)が「ハイ」
から「ロー」に印加されると、書込みモードが始まる。
次いで、書込みモードでのアドレスがデコードされる
と、そのアドレスに対応するワードラインに印加される
パルスは「ロー」から「ハイ」に遷移されてセルが選択
される。
【0007】このように、ワードラインが「ハイ」状態
を維持している間にプレートラインには順に所定の期間
の「ハイ」信号と「ロー」信号が印加される。そして、
選択されたセルにロジック値「1」又は「0」を書くた
めに、選択されたビットラインに書込みイネーブル信号
(WEBpad)に同期した「ハイ」又は「ロー」信号
を印加する。すなわち、ワードラインに印加される信号
が「ハイ」であり、かつプレートラインに印加される信
号が「ロー」であるときに、ビットラインに「ハイ」信
号が印加されると、強誘電体キャパシタにはロジック値
「1」が記録される。そして、プレートラインに印加さ
れている信号が「ハイ」である間に、ビットラインに
「ロー」信号が印加されると、強誘電体キャパシタには
ロジック値「0」が記録される。
【0008】このような書込みモードの動作でセルに格
納されたデータを読み出すための動作は以下の通りであ
る。
【0009】まず、外部からチップイネーブル信号(C
SBpad)を「ハイ」から「ロー」に活性化させる
と、最初、ワードラインが選択される前に、一旦全ての
ビットラインを等化信号によって「ロー」電圧にする。
【0010】そして、各ビットラインを不活性化させた
後、アドレスをデコードし、デコードされたアドレスに
よって選択されたワードラインは「ロー」から「ハイ」
に遷移されセルを選択する。選択されたセルのプレート
ラインに「ハイ」信号を印加して、強誘電体メモリに格
納されたロジック値「1」に対応するデータを破壊させ
る。もし、強誘電体メモリにロジック値「0」が格納さ
れていれば、それに対応するデータは破壊されない。
【0011】このように、破壊されたデータと破壊され
てないデータは前述したヒステリシスループの原理によ
る異なる値を出力し、センスアンプはそのロジック値
「1」又は「0」をセンシングする。すなわち、データ
が破壊された場合は、図1のヒシテリシスループに示す
dからfへ変更される場合であり、データが破壊されて
ない場合は、aからfへ変更される場合である。したが
って、一定の時間が経過した後センスアンプがイネーブ
ルすると、データが破壊された場合は増幅されロジック
値「1」を出力し、データが破壊されてない場合はロジ
ック値「0」を出力する。
【0012】このように、センスアンプからデータを出
力した後に、特に破壊されたデータは元のデータに戻ら
なければならない。そのため、ワードラインに「ハイ」
信号を印加した状態でプレートラインを「ハイ」から
「ロー」に不活性化させる。
【0013】以下、かかる従来不揮発性強誘電体メモリ
素子の構造並びに製造方法を説明する。
【0014】図4aは従来不揮発性強誘電体メモリ素子
のレイアウト図である。二つのセル分が示されている。
なお、本明細書における方向を示す上下、左右などはい
ずれも説明の便宜のためであり、実際の製品の構造での
方向を示すものではない。図4aに示すように、細長い
矩形の領域に区画されたそれぞれのセル用の第1アクテ
ィブ領域41と第2アクティブ領域41a(点線で示さ
れている)が上下にずらして互いに平行に配置されてい
る。第1セル用の第1ワードライン(W/L1)が第1
アクティブ領域41のほぼ中央を横切って横方向に延び
ている。同様に、第2セル用の第2ワードライン(W/
L2)が第2アクティブ領域41aのほぼ中央を横切っ
て第1ワードライン(W/L1)に平行に配置されてい
る。第1アクティブ領域41に沿って第2アクティブ領
域41aとの間に上下方向に第1ビットライン(B/L
1)が形成され、同様に、第2アクティブ領域41aに
沿って図示しないその隣の第1アクティブ領域との間に
第2ビットライン(B/L2)が配置されている。これ
らのビットラインは互いに平行である。それぞれのセル
用の第1強誘電体キャパシタ(FC1)と第2強誘電体
キャパシタ(FC2)がそれぞれのアクティブ領域の上
側(紙面の方向での)に第1、第2ワードラインにまた
がるように、それぞれのビットラインに平行に形成され
ている。これらのキャパシタの第1電極はそれぞれのア
クティブ領域に形成させたトランジスタの不純物領域に
電気的に接続されている。このキャパシタのさらに紙面
方向の上側に、それぞれのワードラインに沿うように第
1、第2プレートライン(P/L1、P/L2)が形成
され、それぞれがそれぞれのキャパシタの第2電極に電
気的に接続されている。
【0015】前記図4aは二つのセルを基準としたレイ
アウト図であり、かかる従来不揮発性強誘電体メモリ素
子は第1、第2強誘電体キャパシタ(FC1、FC2)
がビットライン方向に沿って形成され、第1プレートラ
イン(P/L1)は第1ワードライン(W/L1)上に
形成され、第2プレートライン(P/L2)は第2ワー
ドライン(W/L2)上に形成される。
【0016】かかる従来不揮発性強誘電体メモリ素子の
構造をより詳細に説明すると以下の通りである。
【0017】図4bは図4aのI−I’線による不揮発
性強誘電体メモリ素子の構造断面図である。基板51に
アクティブ領域とフィールド領域とを決め、前述したよ
うにそのアクティブ領域やフィールド領域を横切るよう
に第1絶縁層53を介して第1ワードライン54と第2
ワードライン54aが形成されている。第1アクティブ
領域においては、第1ワードライン54の両側に第1ソ
ース/ドレイン不純物領域55、56が形成される。同
様に、第2ワードライン54aの両側にも第2ソース/
ドレイン不純物領域が形成されるが、この図面では現れ
ない。これらのワードラインが形成された基板の上には
一定の厚さに第2絶縁層57が全面に形成されている。
この第2絶縁層57の第1ドレイン不純物領域56の位
置に、その不純物領域が露出されるようにコンタクトホ
ールが形成され、その中に第1プラグ層58aが埋め込
まれている。第2絶縁層57の表面であって、プラグ層
の先端部に第1ドレイン不純物領域56を第1ビットラ
イン(図示せず)に電気的に連結する第1メタル層59
が形成されている。第1メタル層59と図示しないビッ
トラインとを形成させた基板全面にそれらを覆うように
第3絶縁層60が形成されている。この第3絶縁層60
と第2絶縁層57にはそれらを貫いて第1ソース不純物
領域55に達するコンタクトホールが形成されており、
その中には第2プラグ層62が埋め込まれている。第3
絶縁層60の表面に、第2プラグ層62を中心として両
ワードラインにまたがる範囲にバリアメタル層63が第
2プラグ層62と電気的に連結されるように形成されて
おり、その上に第1強誘電体キャパシタ(FC1)が形
成されている。第1強誘電体キャパシタ(FC1)はバ
リアメタル層63の上に形成された下部電極64、その
上に順に積層された強誘電体膜65と上部電極66とか
ら構成されている。図示しないが、第2強誘電体キャパ
シタも第2アクティブ領域の箇所に同様に形成されてい
る。強誘電体キャパシタを形成させた基板の上全面に第
4絶縁層67を形成させ、その上に、第1プレートライ
ン68と第2プレートライン68aが形成されている。
第1プレートライン68が第1ワードライン54の上側
の位置に形成され、第2プレートライン68aが第2ワ
ードライン54aの上側の位置に形成されている。第1
プレートライン68は第1第1強誘電体キャパシタの上
部電極66に、第2プレートライン68は図示しない第
2強誘電体キャパシタの上部電極にそれぞれ電気的に連
結されている。
【0018】以下、かかる従来の不揮発性強誘電体メモ
リ素子の製造方法を説明する。
【0019】図5a〜図5fは従来技術による不揮発性
強誘電体メモリ素子の製造方法を説明するための工程断
面図で図4aのI−I’線による断面である。
【0020】図5aに示すように、半導体基板51の所
定の部位をエッチングしてトレンチを形成した後、トレ
ンチ内に絶縁膜を埋め込んで素子隔離層52を形成す
る。その素子隔離層52とアクティブ領域とを有する基
板上に第1絶縁層53を形成する。第1絶縁層53上に
ワードライン物質層を形成した後、パターニングして互
いに一定の間隔を有する第1、第2ワードライン54、
54aを形成する。
【0021】図5bに示すように、ワードライン54、
54aをマスクとして用いた不純物イオン注入を介し
て、基板51と反対の導電型を有するソース不純物領域
55及びドレイン不純物領域56を基板51に形成す
る。ここで、ソース/ドレイン不純物領域55、56は
第1ワードライン54をゲート電極とする第1トランジ
スタ(T1)のソース/ドレイン不純物領域である。そ
の後、第1、第2ワードライン54、54aを含む基板
51の全面に第2絶縁層55を形成する。第2絶縁層5
5上にフォトレジスト(図示せず)を塗布した後パター
ニングし、パターニングされたフォトレジストをマスク
に用いたエッチング工程で第2絶縁層55を選択的に除
去して、ドレイン不純物領域56が露出されるコンタク
トホール58を形成する。
【0022】図5cに示すように、コンタクトホール内
に導電性物質を埋め込んで第1プラグ層58aを形成
し、第1プラグ層58aと第1ビットライン(B/L
1)とを連結する第1メタル層59を第2絶縁層55の
表面に形成する。このとき、図面には示さないが、第2
ビットライン(B/L2)が第2トランジスタ(T2)
のドレイン不純物領域と電気的に連結される。
【0023】図5dに示すように、第1メタル層59を
含む全面に第3絶縁層60を形成する。第3絶縁層60
上にフォトレジスト(図示せず)を塗布した後パターニ
ングし、パターニングされたフォトレジストをマスクに
用いたエッチング工程で第3絶縁層60を選択的に除去
して、ソース不純物領域55が露出されるコンタクトホ
ール61を形成する。
【0024】図5eに示すように、コンタクトホール6
1内に導電性物質を埋め込み、ソース不純物領域55と
電気的に連結される第2プラグ層62を形成する。そし
て、第2プラグ層62と電気的に連結されるようにバリ
アメタル層63を形成した後、バリアメタル層63上に
第1強誘電体キャパシタ(FC1)の下部電極64、強
誘電体膜65、第1強誘電体キャパシタの上部電極66
を順に形成する。
【0025】図5fに示すように、強誘電体キャパシタ
を形成させた基板全面に第4絶縁層67を形成し、フォ
トリソグラフィ工程で第4絶縁層67を選択的にエッチ
ングして、第1強誘電体キャパシタの上部電極66の所
定の部分が露出されるようにコンタクトホールを形成し
てプラグ層を充填する。そして、そのプラグ層を介して
第1強誘電体キャパシタの上部電極66と電気的に連結
されるように第1プレートライン68を形成する。同時
に、これと平行に第2プレートライン68aを形成す
る。
【0026】しかし、上記従来の不揮発性強誘電体メモ
リ素子並びにその製造方法は次のような問題点があっ
た。
【0027】ワードラインの上の層にビットライン、そ
の上に強誘電体キャパシタ、さらにその上にプレートラ
インとそれぞれ絶縁層を介して形成させなければならな
いので、層の数が多くなり、全体として基板からの高さ
が高くなる。また、それ故に製造工程が複雑になるとい
う問題もあった。さらに、従来の従来の不揮発性強誘電
体メモリ素子はキャパシタとトランジスタやプレートラ
インとの接続がコンタクトホールを介して行っているの
で、その間の接続抵抗が高くなるという問題もあった。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した従来
技術の問題点を解決するために案出したもので、その目
的は工程を簡素化し、全体の厚さが薄くなるとともに、
キャパシタの接続抵抗を少なくすることとができる不揮
発性強誘電体メモリ素子並びにその製造方法を提供する
ことである。
【0029】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の不揮発性強誘電体メモリ素子は、アクティブ
領域の基板上に形成され、各々は電気的に分離される複
数個の第1ゲート電極と第2ゲート電極、各々の第1ゲ
ート電極の一側の基板に連結された複数個の第1強誘電
体キャパシタの第1電極及び前記各々の第2ゲート電極
の一側の基板に連結された複数個の第2強誘電体キャパ
シタの第1電極、前記各々の第1電極上に形成された強
誘電体層、前記各々の強誘電体層上に形成された第1強
誘電体キャパシタの第2電極と第2強誘電体キャパシタ
の第2電極、複数個の第1ゲート電極を電気的に連結す
る第1メタルライン及び複数個の第2電極を電気的に連
結する第2メタルラインを備えていることを特徴とす
る。
【0030】また、本発明の不揮発性強誘電体メモリ素
子の製造方法は、半導体基板に第1アクティブ領域と第
2アクティブ領域を定義する工程と、第1アクティブ領
域の基板上に第1ゲート電極を形成し、第2アクティブ
領域の基板上に第2ゲート電極を形成する工程と、第
1、第2ゲート電極の一側の基板が露出されるようにコ
ンタクトホールを有する第1絶縁層を形成する工程と、
前記基板と連結され、コンタクトホールの内側面に第
1、第2強誘電体キャパシタの第1電極を形成する工程
と、各々の第1電極上に強誘電体層を形成する工程と、
第1ゲート電極と連結され、第2強誘電体キャパシタ用
の第2電極となる第1スプリットワードラインと、第2
ゲート電極と連結され、第1強誘電体キャパシタ用の第
2電極となる第2スプリットワードラインを形成する工
程と、第1ゲート電極の一側の基板と連結される第1ビ
ットラインを形成する工程と、第2ゲート電極の一側の
基板と連結される第2ビットラインを形成する工程とを
含んでいることを特徴とする。
【0031】
【発明の実施の形態】以下、本発明の不揮発性強誘電体
メモリ素子及びその製造方法を実施形態に基づいて詳細
に説明する。
【0032】本発明の不揮発性強誘電体メモリ素子は、
各トランジスタのゲート電極を各トランジスタ毎に分離
された形態に構成し、強誘電体キャパシタの一方の電極
を直接トランジスタのジャンクションに連結し、他方の
電極はスプリットワードラインにゲート電極と共に連結
することを特徴とする。
【0033】図6は本発明実施形態の不揮発性強誘電体
メモリ素子の回路的構成図である。従来技術と対応させ
るように二つのセルのみを示してある。図6に示すよう
に、従来技術においてはワードラインとプレートライン
との間にセルが形成されていたが、本不揮発性強誘電体
メモリ素子は、互いに一定の間隔を有するように配置さ
れた第1スプリットワードライン(SWL1)と第2ス
プリットワードライン(SWL2)の間にセルが配置さ
れている。第1セルは第1トランジスタ(T1)とそれ
に対応して設けた第1強誘電体キャパシタ(FC1)と
からなり、第2セルは第2トランジスタ(T2)とそれ
に対応して設けた第2強誘電体キャパシタ(FC2)と
からなる。第1セルのトランジスタ(T1)のゲートが
第1スプリットワードライン(SWL1)に接続され、
第2セルのトランジスタ(T2)が第2スプリットワー
ドライン(SWL2)に接続されている。列方向に並ぶ
図示しない他のセルは、同様にそれぞれのゲートが第1
スプリットワードライン(SWL1)と第2スプリット
ワードライン(SWL2)に交互に接続されている。ビ
ットライン(B/L1、B/L2)は従来同様スプリッ
トワードライン(SWL1、SWL2)を横切る方向に
平行に配置されている。第1トランジスタ(T1)のド
レインが第1ビットライン(B/L1)に連結され、第
2トランジスタ(T2)のドレインが第2ビットライン
(B/L1)に連結されている。第1強誘電体キャパシ
タ(FC1)が第1トランジスタのソースと第2スプリ
ットワードライン(SWL2)とに接続され、第2強誘
電体キャパシタ(FC2)が第2トランジスタのソース
と第1スプリットワードライン(SWL1)とに接続さ
れている。
【0034】一方、図7は簡略化した本発明の不揮発性
強誘電体メモリ装置の回路的構成図であって、その動作
原理を以下に説明する。
【0035】図7に示すように、第1、第2スプリット
ワードライン(SWL1、SWL2)を一対とする複数
対のスプリットワードラインが形成され、そのスプリッ
トワードライン対を横切る方向に形成され、隣接した二
つのビットラインを一対として複数のビットライン(B
/L1、B/L2)対が形成され、そのビットライン対
の間には、両方のビットラインを介して伝達されたデー
タをセンシングして、データライン(DL)またはデー
タバーライン(/DL)へ伝達するセンシングアンプ
(SA)が形成されている。さらに、センシングアンプ
(SA)をイネーブルさせるためのイネーブル信号(S
EN)を出力するセンシングアンプイネーブル部が備え
られ、ビットラインとデータラインを選択的にスイッチ
ングする選択スイッチング部(CS)が備えられてい
る。
【0036】図8は本発明の不揮発性強誘電体メモリ素
子の動作を説明するためのタイミング図である。
【0037】図8のT0区間は第1スプリットワードラ
イン(SWL1)と第2スプリットワードライン(SW
L2)が「ハイ」に活性化される前の区間であって、全
てのビットラインを一定のレベルにプリチャージさせ
る。
【0038】T1区間は第1、第2スプリットワードラ
イン(SWL1、SWL2)双方が「ハイ」となる区間
であって、セルの強誘電体キャパシタのデータがビット
ラインへ伝達され、ビットラインのレベルが変化する。
この際、ロジック「ハイ」に格納されていた強誘電体キ
ャパシタは、ビットラインとスプリットワードラインに
互いに反対極性の電界が加えられるので、強誘電体の極
性が破壊され且つ多量の電流が流れ、ビットラインに高
電圧が誘起される。
【0039】一方、ロジック「ロー」に格納されていた
キャパシタはビットラインとスプリットワードラインに
同一極性の電界が加えられるので、強誘電体の極性が破
壊せず、少量の電流が流れるのでビットラインに多少低
い電圧が誘起される。そして、ビットラインにセルデー
タが十分載せられると、センシングアンプを活性化させ
るためにセンシングアンプイネーブル信号(SEN)を
「ハイ」に遷移させ、ビットラインのレベルを増幅す
る。
【0040】破壊されたセルのロジック「ハイ」データ
は第1スプリットワードライン(SWL1)と第2スプ
リットワードライン(SWL2)が「ハイ」である状態
では復旧できないので、次のT2、T3区間で再格納さ
れるようにする。
【0041】T2区間は、第1スプリットワードライン
(SWL1)が「ロー」に遷移され、第2スプリットワ
ードライン(SWL2)は「ハイ」を維持する区間であ
って、第2トランジスタ(T2)はオンの状態となる。
このとき、ビットラインが「ハイ」の状態であれば、
「ハイ」データが第2強誘電体キャパシタ(FC2)の
一方の電極へ伝達され、ロジック「1」の状態に復帰す
る。
【0042】T3区間は第1スプリットワードライン
(SWL1)が再び「ハイ」に遷移され、第2スプリッ
トワードライン(SWL2)は「ロー」に遷移される区
間であって、第1トランジスタ(T1)はオンの状態と
なる。このとき、ビットラインが「ハイ」の状態であれ
ば、「ハイ」データが第1強誘電体キャパシタ(FC
1)の一方の電極へ伝達され、ロジック「1」の状態に
復帰する。
【0043】このような不揮発性強誘電体メモリ素子に
よる第1実施形態を図9、図10に基づいて説明する。
【0044】図9は本発明の第1実施形態による不揮発
性強誘電体メモリ素子のレイアウト図で、図10はI−
I’断面である。図9は二つのセルのレイアウトを示
し、図10はその一方のセルの部分の断面である。この
例の場合も、従来と同様に、基板120にそれぞれ第1
トランジスタと第2トランジスタが形成される第1アク
ティブ領域と第2アクティブ領域とが矩形に形成されて
いる。これらは、互いに平行に、しかし上下に位置をず
らして形成されている。基板120のそれぞれのアクテ
ィブ領域のほぼ中央分にゲート電極123が形成されて
いる。本実施形態ではその製造方法の箇所で説明する
が、従来のようにゲート電極は長く形成させずに、それ
ぞれのアクティブ領域の付近にのみ形成させる。すなわ
ち、第1アクティブ領域には第1ゲート電極123を、
第2アクティブ領域には第2ゲート電極をそれぞれ正方
形に近い形状に形成する。当然ゲート電極の両側にはソ
ース/ドレイン不純物領域124,125(第1アクテ
ィブ領域側は図示ない)が形成されている。なお、付近
とは従来のようにたのトランジスタに共通になるように
形成されず、該当トランジスタのみに限られる範囲を意
味している。
【0045】第1ゲート電極の一方の側のドレイン不純
物領域に直接接触するように第1強誘電体キャパシタの
第1電極127が形成され、同様に、図示しないが、第
2トランジスタのドレイン不純物領域にも直接接触する
ように第2強誘電体キャパシタの第1電極が形成されて
いる。このキャパシタの第1電極は、ゲート電極を形成
させた基板120の表面を覆うように成膜した第1絶縁
層127に形成させたトレンチの内側に一定の厚さで形
成される。トレンチはゲート電極よりやや大きい長方形
とされている。その第1電極の表面及びトレンチの周囲
の第1絶縁層126の表面に強誘電体層128、128
aが各々形成されている。第1電極並びに強誘電体層の
厚さは薄いのでトレンチ内にはホールが形成されてい
る。第1絶縁層126にはさらにゲート電極の箇所にコ
ンタクトホールが形成されており、そのコンタクトホー
ルと隣接するホールを埋めながら第1メタルライン13
0が長く形成されている。この第1メタルライン130
はコンタクトホールを通して第1トランジスタのゲート
電極123に電気的に接触し、かつ強誘電体層で形成さ
れているホール内に埋め込まれて第2強誘電体キャパシ
タ(FC2)の第2電極ともなっている。そしてまた、
このメタルライン130は第1スプリットワードライン
となるものでもある。第2メタルライン130aも第1
メタルライン130と平行に形成され、同様に、第2ト
ランジスタのゲート電極と接続されるとともに、第1強
誘電体キャパシタ(FC1)の第2電極ともなり、かつ
第2スプリットワードラインともなっている。双方のメ
タルラインが形成された基板の上には第2絶縁層131
が形成されており、その表面に第1,第2ビットライン
133,133aが平行に形成されている。これらのビ
ットラインは双方の絶縁層に形成させたコンタクトホー
ルを通してそれぞれのトランジスタのソースと連結され
る。成される。
【0046】以下、このような本発明の第1実施形態に
よる不揮発性強誘電体メモリ素子の製造方法をより詳細
に説明する。
【0047】図11a〜図11hは本発明の第1実施形
態による不揮発性強誘電体メモリ素子のレイアウト工程
図であり、図12a〜図12hは図11a〜図11hの
I−I’線による断面図である。
【0048】まず、図11a、図12aに示すように、
第1導電型の半導体基板にフィールド領域(素子隔離
層)121をトレンチ分離工法で形成して、第1、第2
アクティブ領域100、100aを形成する。図示のよ
うにこれらのアクティブ領域100、100aは矩形に
形成され、その長手方向が平行になり、かつ双方の位置
が上下にずれるように形成されている。
【0049】各アクティブ領域100、100a及びフ
ィールド領域121を含む基板の全面にゲート電極形成
物質を堆積した、図11b、図12bに示すように、パ
ターニングして第1アクティブ領域100には第1トラ
ンジスタ(T1)のゲート電極となる第1ゲート電極1
23及び第2アクティブ領域100aには第2トランジ
スタ(T2)のゲート電極となる第2ゲート電極123
aを形成する。従来の場合と異なり、この実施形態のゲ
ート電極は連続したものではなく、それぞれのトランジ
スタに独立に形成させる。したがって、図示のように矩
形になる。もちろん、その形状は矩形でなければならな
いわけではない。円形であっても良い。ゲート電極を形
成させた後、ゲート電極123の両側の基板にその基板
と反対導電型の不純物イオンをゲート電極をマスクとし
て注入して、それぞれのソース/ドレイン領域124、
125を形成する。
【0050】第1、第2ゲート電極123、123aを
形成させた基板の全面に第1絶縁層126を形成する。
第1絶縁層126としては、ILD(Inter Layer Diel
ectric)層を使用する。そして、化学機械的研磨法(C
MP)を用いて第1絶縁層126を平坦化させる。表面
を平坦化させた第1絶縁層126の各ゲート電極12
3、123aの一方の不純物領域(第1124、第2ソ
ース領域(図示せず))の位置にその領域が露出される
ようにトレンチ127、127aを形成する。このトレ
ンチは図示のように、形状は矩形であり、ゲート電極と
大差ない大きさである。そして、トレンチを含む全面に
それぞれの強誘電体キャパシタの第1電極を形成するた
めの第1導電層を薄く形成する。第1導電層の下にバリ
アメタル層を形成してもよく、そのバリアメタル層とし
てはTiN、RuO2、IrO2、PtSi2などを使用
することができる。そして、第1導電層としてはPt、
Ir、Ruなどを使用する。また、第1導電層、バリア
メタル層は、スパッタ法またはCVD法で形成する。
【0051】このように、第1導電層のみを形成する
か、またはバリアメタル層上に第1導電層を形成した
後、図11c、図12cに示すように、CMP工程また
はエッチバック工程を用いて第1導電層がコンタクトホ
ールの内側面にのみ残るように平坦化させ、それぞれの
強誘電体キャパシタの第1電極127aを形成する。
【0052】次いで、強誘電体キャパシタの第1電極1
27、127aを含む基板の全面に強誘電体物質層を形
成した後、図11d、図12dに示すように、第1電極
127、127aの表面に残るようにパターニングして
それぞれの強誘電体キャパシタ用の強誘電体層128、
128aを形成する。このとき、強誘電体層128、1
28aはそれぞれの第1電極127、127aを十分覆
うように、第1絶縁層128の表面のトレンチの周辺部
にも残るようにパターニングする。これらの誘電体層1
28も十分に薄く、第1電極127の表面を覆ってなお
トレンチと類似のホールが残る厚さとする。
【0053】図11e、図12eに示すように、強誘電
体層128、128aを含む全面にフォトレジスト(図
示せず)を塗布した後、露光及び現像工程でパターニン
グして、第1、第2ゲート電極123、123aが露出
されるように第1絶縁層126をエッチングして、コン
タクトホール129を形成する。
【0054】その後、コンタクトホールを含む強誘電体
層128、128a上に第2メタル層を形成した後、図
11fに示すように、一定の間隔で平行に走る第1、第
2メタルライン130,130aが残るようにパターニ
ングする。それぞれのメタルラインはゲート電極のコン
タクトホール並びに強誘電体層128で形成されたホー
ルにも充填されているので、第1メタルライン130は
第1トランジスタ(T1)のゲート電極と接続され、か
つ第2セル用の強誘電体キャパシタ(FC2)の第2電
極ともなる。したがって、この第1メタルライン130
は第1スプリットワードライン(SWL1)の役割を果
たす。同様に、第2メタルラインは、第2トランジスタ
のゲート電極に接続され、かつ第1強誘電体キャパシタ
(FC1)の第2電極ともなり、その上、第2スプリッ
トワードライン(SWL2)ともなる。
【0055】次いで、図12gに示すように、第1、第
2メタルライン130、130aを含む基板の全面に第
2絶縁層131を形成した後、表面を平坦化してフォト
リソグラフィ工程を用いたエッチング工程でそれぞれの
トランジスタのドレイン領域125が露出されるように
第2絶縁層及び第1絶縁層を除去して、図11gに示す
ように第1、第2ビットラインコンタクト132、13
2aを形成する。
【0056】そして、図11h、図12hに示すよう
に、第1、第2ビットラインコンタクト132、132
aを介してトランジスタのソース領域と連結されるよう
に第1、第2ビットライン133、133aを形成す
る。
【0057】以下、本発明の第2実施形態による不揮発
性強誘電体メモリ素子及びその製造方法を説明する。図
13は本発明の第2実施形態による不揮発性強誘電体メ
モリ素子の構造断面図である。図では第1実施形態と同
一の部材には同じ符号を付してある。本発明の第2実施
形態による不揮発性強誘電体メモリ素子のレイアウトは
第1実施形態と同一であるので、以下では説明を省略す
る。そして、本発明の第1実施形態では強誘電体キャパ
シタの第1電極を形成するときにCVDやスパッタ法を
用いているが、第2実施形態ではソル−ゲル工程を用い
て形成する。
【0058】本発明の第2実施形態による不揮発性強誘
電体メモリ素子は、強誘電体キャパシタの構造が異なる
だけで、他は同一である。その強誘電体キャパシタは、
図13に示すように、第1電極127を第1絶縁層12
6のソース領域124に形成させたトレンチ内を導電体
で充填した構造とし、その表面から第1絶縁層126の
表面に広がるように平坦に強誘電体層128を形成さ
せ、その上にメタルライン(図では第2メタルライン1
30a)を形成させている。
【0059】従って、先の実施形態と同様に、第1メタ
ルライン130は第1ゲート電極123と第2強誘電体
キャパシタの第2電極とを電気的に連結させ、第2メタ
ルライン130aは第2ゲート電極と第1強誘電体キャ
パシタの第2電極とを電気的に連結させる。結局、第1
メタルライン130は第1スプリットワードライン(S
WL1)の役割を果たし、第2メタルライン130aは
第2スプリットワードライン(SWL2)の役割を果た
す。
【0060】このように構成された本発明の第2実施形
態による不揮発性強誘電体メモリ素子の製造方法を図1
4aないし14hを参照にして説明する。図14aない
し図14hは各々図11aないし図11hのI−I’線
による断面図である。図14aに示すように、半導体基
板120をアクティブ領域とフィールド領域121に区
画する。フィールド領域はトレンチ分離工程により形成
される。
【0061】図14bに示すように、基板120上のア
クティブ領域及びフィールド領域にゲート絶縁膜122
を介して、第1ゲート電極123と第2ゲート電極(図
示せず)をそれぞれ形成する。次いで、第1ゲート電極
123及び第2ゲート電極をマスクに用いた不純物イオ
ンを注入してそれぞれのアクティブ領域のゲート電極の
両側に第1ソース/ドレイン領域124、125と、第
2ソース/ドレイン領域(図示せず)を形成する。
【0062】図14cに示すように、第1ゲート電極1
23及び第2ゲート電極を含む全面に第1絶縁層126
を形成する。第1絶縁層126の物質としてはILD層
を使用する。化学機械的研磨法(CMP)を用いて第1
絶縁層126を平坦化させ、第1ソース領域124と第
2ソース領域(図示せず)が露出されるように第1絶縁
層126を除去してトレンチを形成する。
【0063】第1絶縁層126を含む全面に強誘電体キ
ャパシタの第1電極として使用される第1導電層をソル
−ゲル工程で形成した後、CMPまたはエッチバック工
程で平坦化して、第1強誘電体キャパシタの第1電極1
27及び第2強誘電体キャパシタの第1電極127a
(図示せず)を形成する。ソル−ゲル工程は、第1導電
層を固体状に堆積させ、その後ゲル状態に変化させる。
従って、コンタクトホールに第1導電層が埋め込まれ
る。これに対して、本発明の第1実施形態でのようなC
VD法やスパッタ法を用いると、コンタクトホール内に
埋め込まれず、コンタクトホールの内側面に沿って薄く
形成される。
【0064】第1導電層を形成する前にバリアメタル層
を形成することが可能であり、第1導電層としてはP
t、Ir、Ruなどを使用し、バリアメタル層としては
TiN、RuO2、IrO2、PtSi2などを使用す
る。バリアメタル層を形成してから第1導電層を形成す
る場合は、バリアメタル層をCVDやスパッタ法で形成
した後、第1導電層はソル−ゲル工程で形成する。
【0065】図14dに示すように、強誘電体キャパシ
タの第1電極127上にそれらを十分覆うように、強誘
電体層128をそれぞれのキャパシタに薄く形成する。
【0066】図14eに示すように、第1強誘電体層1
28及び第2強誘電体層を含む基板の全面にフォトレジ
ストを塗布した後、フォトエッチング工程で第1絶縁層
126をエッチングして、それぞれのトランジスタのゲ
ート電極123の表面が露出されるコンタクトホール1
29を形成する。
【0067】図14fに示すように、第1メタルライン
130と第2メタルライン130aを平行に走るように
形成する。これらのラインはコンタクトホール129を
形成させた箇所ではそれを通してゲート電極123に接
続され、それに隣接するセルでは強誘電体128の表面
の上を通る。すなわち、メタルラインは一つのセルのト
ランジスタのゲート電極となるとともにそれに隣接する
セルでは誘電体キャパシタの第2電極となる。
【0068】図面は二つのセルに対して示したもので、
第1ゲート電極と第2ゲート電極とが各々一つずつ図示
されているが、実際のセルアレイでは複数の第1ゲート
電極と第2ゲート電極が形成される。従って、第1メタ
ルライン130は列方向に同一線上に位置した第1ゲー
ト電極を電気的に連結させる第1スプリットワードライ
ン(SWL1)の役割を果たし、第2メタルライン13
0aもまた列方向に同一線上に位置した第2ゲート電極
を電気的に連結させる第2スプリットワードライン(S
WL2)の役割を果たす。そして、第1メタルライン1
30と第2メタルライン130aはアクティブ領域を横
切る方向に形成される。
【0069】図14gは示すように、第1、第2メタル
ライン130、130aを含む全面にそれらを十分に覆
うように第2絶縁層131を形成し、CMP工程または
エッチバック工程を用いてその表面を平坦化させる。そ
れぞれのトランジスタのドレイン領域125が露出され
るように第2絶縁層131、第1絶縁層126を選択的
にエッチングして、第1ビットライン用のコンタクト1
32と第2ビットライン用のコンタクト132a(図示
せず)を形成する。
【0070】図14hに示すように、第1ビットライン
コンタクト132を介して第1ドレイン領域125と電
気的に連結され、第1メタルライン130を横切る方向
に第1ビットライン133を形成し、第2ビットライン
コンタクト(図示せず)を介して第2ドレイン領域(図
示せず)と電気的に連結される第2ビットライン133
a(図示せず)を形成すると、本発明の第2実施形態に
よる不揮発性強誘電体メモリ素子の製造工程が完了す
る。
【0071】以下、本発明の第3実施形態による不揮発
性強誘電体メモリ素子及びその製造方法を説明する。同
様に、先の二つの例と同一の動作をする部材には同じ符
号を与えてある。
【0072】図15は本発明の第3実施形態による不揮
発性メモリ素子の構造断面図であって、図示のように、
基本的には第1実施形態と類似しており、第1、第2ト
ランジスタを基板120に形成させて、その上にそのト
ランジスタを覆うように成膜した第1絶縁層126のト
ランジスタのソース領域の位置に形成させたトレンチ内
に強誘電体キャパシタの第1電極127、強誘電体層1
28、第2電極形成160を形成させて、その上に第2
絶縁層131を形成させた点が異なる。したがって、そ
れぞれのスプリットワードラインの役を果たすメタルラ
イン130は第2絶縁層131の表面に形成される。そ
の際、第2絶縁層131には、トランジスタのゲート電
極の上側にコンタクトホールを形成させ、かつ強誘電体
キャパシタの第2電極の上にコンタクトホールを形成さ
せ、それらのコンタクトホールを介してメタルラインを
トランジスタのゲートと強誘電体キャパシタの第2電極
とに接続されるようにした。
【0073】すなわち、第1スプリットワードライン
(SWL1)の役を果たす第1メタルラインは、第1セ
ルのトランジスタ(T1)のゲート電極と第2セルの強
誘電体キャパシタ(FC2)の第2電極とに交互に接続
されながら延長され、第2スプリットワードライン(S
WL2)の役を果たす第2メタルラインは、第2セルの
トランジスタ(T2)のゲート電極と第1セルの強誘電
体キャパシタ(FC1)の第2電極とに交互に接続され
ながら延長されている。
【0074】このように構成された本発明の第3実施形
態による不揮発性強誘電体メモリ素子の製造方法を以下
に説明する。図16a〜図16gは本発明の第3実施形
態による不揮発性強誘電体メモリ素子のレイアウト工程
図であり、図17a〜図17gは図16a〜図16gの
I−I’線による製造工程の断面図である。
【0075】本発明の第3実施形態は、強誘電体キャパ
シタの第2電極(上部電極)とスプリットワードライン
(第1、第2メタルライン)を別に形成することを特徴
とする。即ち、本発明の第1、第2実施形態はスプリッ
トワードラインを強誘電体キャパシタの第2電極と同一
物質で同時に形成するのに対して、第3実施形態はそれ
らが異なる工程で形成される。
【0076】まず、図17aに示すように、第1導電型
の半導体基板にトレンチ分離工程でフィールド領域12
1を形成させて、図16aに示すような上下方向に長い
矩形の第1アクティブ領域100と第2アクティブ領域
100aを形成する。先の例同様、第1アクティブ領域
100と第2アクティブ領域は互いに平行に、しかし、
上下方向にずらして形成させる。いうまでもなく、これ
らが上下左右方向に多数繰り返して形成されている。
【0077】図16bに示すように、各アクティブ領域
100、100a及びフィールド領域を含む基板の全面
にゲート電極物質を堆積させた後、パターニングしてそ
れぞれのアクティブ領域にそれぞれのトランジスタ(T
1、T2)のゲート電極(第1ゲート電極123、第2
ゲート電極123a)を形成する。このゲート電極は他
の実施形態同様連続したものではなく、それぞれのアク
ティブ領域にのみ形成させる。その後、図17aに示す
ように、第1ゲート電極123の両側の基板にその基板
と反対導電型の不純物イオンを注入して、第1ソース/
ドレイン領域124,125を形成する同時に、第2ゲ
ート電極の両側の基板にも同様に第2ソース/ドレイン
領域(図示せず)を形成する。
【0078】次に、図17cに示すようにそれぞれのゲ
ート電極123、123aを形成させた基板の全面に第
1絶縁層126を形成する。第1絶縁層126の物質と
してはILD層を使用する。その絶縁層をCMP法で平
坦化させて、第1ソース領域及び第2ソース領域が露出
されるように第1絶縁層126をエッチングしてトレン
チを形成する。
【0079】第2絶縁層を含む全面に強誘電体キャパシ
タの第1電極(下部電極)として使用される第1導電層
を形成し、その第1導電層上に強誘電体層、及び強誘電
体キャパシタ(上部電極)として使用される第2導電層
を順に形成する。ここで、第1導電層、強誘電体層は薄
くトレンチの内面に沿って形成され、そして、第2導電
層は全体を埋めるように形成させる。これらは各々CV
Dまたはスパッタ法で形成させる
【0080】その後、CMPまたはエッチバック工程を
通じて、第1絶縁層が露出されるまで第2導電層、強誘
電体層及び第1導電層を除去して、第1電極127、第
1強誘電体層128及び、第2電極160からなる第1
強誘電体キャパシタ(FC1)と、第1電極127a、
第2強誘電体層128a及び、第2強誘電体キャパシタ
の第2電極160aからなる第2強誘電体キャパシタ
(FC2)を形成する。
【0081】このとき、強誘電体キャパシタの第1電極
として、第1導電層の下にバリアメタル層を更に形成す
ることも可能である。そして、第1導電層としてはP
t、Ir、Ruなどを使用し、バリアメタル層としては
TiN、RuO2、IrO2、PtSi2などを使用す
る。
【0082】次いで、図16d、図17dに示すよう
に、第1強誘電体キャパシタ(FC1)及び第2強誘電
体キャパシタ(FC2)を含む全面に第2絶縁層131
を形成した後、それぞれのトランジスタのゲート電極及
びそれぞれの強誘電体キャパシタの第2電極が露出され
るように、第2絶縁層を選択的にエッチングして第1コ
ンタクトホール129と第2コンタクトホール161を
形成する。
【0083】以後、図16e、図17eに示すように、
コンタクトホールを介して第1、第2ゲート電極及び、
第1、第2強誘電体キャパシタの第2電極と電気的に連
結される第1メタルライン130と第2メタルライン1
30aを各々形成する。即ち、第1メタルライン130
は第1ゲート電極123と第2強誘電体キャパシタの第
2電極160aとを電気的に連結させ、第2メタルライ
ン130aは第2ゲート電極123aと第1強誘電体キ
ャパシタの第2電極160とを電気的に連結させる。
【0084】すなわち、第1メタルライン130は行方
向に同一線上に位置した第1ゲート電極を電気的に連結
させる第1スプリットワードライン(SWL1)の役割
を果たし、第2メタルライン130aもまた行方向に同
一線上に位置した第2ゲート電極を電気的に連結させる
第2スプリットワードライン(SWL2)の役割を果た
す。そして、第1メタルライン130と第2メタルライ
ン130aはアクティブ領域を横切る方向に他の実施形
態と同様に形成される。
【0085】次いで、図16f、図17fに示すよう
に、第1、第2メタルライン130、130aを含む全
面に第3絶縁層170を形成した後、その表面を平坦化
させ、それぞれのトランジスタのドレイン領域(第1,
第2ドレイン領域)が露出されるように第3絶縁層、第
2絶縁層、第1絶縁層を順にエッチングして、第1ビッ
トラインコンタクト132と第2ビットラインコンタク
ト132aを形成する。
【0086】以後、図16g、図17gに示すように、
第1ビットラインコンタクト132を介して第1ドレイ
ン領域125と電気的に連結される第1ビットライン1
33と、第2ビットラインコンタクト132aを介して
第2ドレイン領域と電気的に連結される第2ビットライ
ン133aを形成する。
【0087】以下、本発明の第4実施形態を説明する。
この第4実施形態は、第1実施形態に対する第2実施形
態と同じように、第3実施形態の強誘電キャパシタの形
状を変形した例である。本発明の第4実施形態によるレ
イアウトは第3実施形態と同一であるので以下では図示
を省略する。
【0088】図18は本発明の第4実施形態による不揮
発性強誘電体メモリ素子の構造断面図であり、図19a
〜図19gは本発明の第4実施形態による製造工程断面
図である。
【0089】図18に示すように、半導体基板120の
第1アクティブ領域に第1ゲート電極123が形成さ
れ、その両側に第1ソース領域124と第1ドレイン領
域125とが形成されている。それらが形成された基板
全面に第1絶縁層126が成膜され、第1絶縁層126
を第1ソース領域124が露出されるようにエッチング
してトレンチを形成させ、そのトレンチ内に第1強誘電
体キャパシタの第1電極127が埋め込まれている。第
1電極上に第1強誘電体キャパシタ用の強誘電体層12
8が薄く形成され、その第1強誘電体キャパシタの第2
電極160が形成されている。第2絶縁層131がそれ
ら全体を覆うように形成され、第2絶縁層131のトラ
ンジスタのゲート電極の位置とキャパシタの第2電極の
位置にコンタクトホールを形成させる。この第2絶縁層
131の表面に第1メタル層130と第2メタル層13
0aが第2実施例と同様に形成される。
【0090】この図には示さないが、第1アクティブ領
域と分離された第2アクティブ領域が形成され、その第
2アクティブ領域には同様の構成とされたトランジスタ
とキャパシタおよび第1,第2メタル層130,130
aが形成されている。したがって、第1メタル層130
は第1トランジスタのゲート電極と第2セルの強誘電体
キャパシタ、すなわち第2キャパシタ(FC2)の第2
電極とに交互に接続されており、第2メタル層130a
は第2トランジスタのゲート電極と第1セルの強誘電体
キャパシタ、すなわち第1キャパシタ(FC2)の第2
電極とに交互に接続されている。
【0091】結局、第1メタルライン130は第1スプ
リットワードライン(SWL1)の役割を果たし、第2
メタルライン130aは第2スプリットワードライン
(SWL2)の役割を果たす。
【0092】このように構成された本発明の第3実施形
態による不揮発性強誘電体メモリ素子の製造方法を図1
9a〜19gに基づいて説明する。
【0093】図19aに示すように、半導体基板120
をアクティブ領域とフィールド領域121に区画する。
フィールド領域はトレンチ分離工程により形成される。
【0094】図19bに示すように、基板120上のア
クティブ領域及びフィールド領域にゲート絶縁膜122
を介して、第1ゲート電極123と第2ゲート電極12
3a(図示せず)を形成する。次いで、第1ゲート電極
123及び第2ゲート電極123aをマスクに用いて不
純物イオンを注入してその両側に第1ソース/ドレイン
領域124、125と、第2ソース/ドレイン領域12
4a、125a(図示せず)を形成する。
【0095】次に、図19cに示すように、第1ゲート
電極123及び第2ゲート電極123aを含む全面に第
1絶縁層126を形成する。この第1絶縁層126の物
質としてはILD層を使用する。化学機械的研磨法(C
MP)を用いて第1絶縁層126を平坦化させ、第1ソ
ース領域124と第2ソース領域124a(図示せず)
が露出されるように第1絶縁層126を除去してトレン
チを形成する。
【0096】第1絶縁層126を含む全面に強誘電体キ
ャパシタの第1電極として使用される第1導電層をソル
−ゲル工程で形成した後、CMPまたはエッチバック工
程で平坦化して、第1強誘電体キャパシタの第1電極1
27及び第2強誘電体キャパシタの第1電極127a
(図示せず)を形成する。
【0097】同様に、第1導電層を形成する前にバリア
メタル層を形成することが可能であり、第1導電層とし
てはPt、Ir、Ruなどを使用する。また、バリアメ
タル層としてはTiN、RuO2、IrO2、PtSi2
などを使用する。バリアメタル層を形成してから第1導
電層を形成する場合は、バリアメタル層はCVDやスパ
ッタ法で形成し、第1導電層はソル−ゲル工程で形成す
る。
【0098】図19dに示すように、強誘電体キャパシ
タの第1電極127を含む基板の全面に強誘電体物質層
と、強誘電体キャパシタの第2電極に使用される第2導
電層とを順に形成した後、フォトエッチング工程によっ
て第2導電層及び強誘電体物質層が各々第1電極上に残
るようにパターニングする。従って、強誘電体キャパシ
タの第1電極127上には強誘電体層128と第2電極
160が形成される。
【0099】次いで、図19eに示すように、強誘電体
キャパシタの第2電極を含む基板の全面に第2絶縁層1
31を形成する。フォトエッチング工程を用いてそれぞ
れのトランジスタのゲート電極123が露出される第1
コンタクトホール129を形成し、強誘電体キャパシタ
の第2電極が露出される第2コンタクトホール161を
形成する。
【0100】図19fに示すように、第1コンタクトホ
ール129及び第2コンタクトホール161を介して第
1ゲート電極123と第2強誘電体キャパシタの第2電
極160aに電気的に連結される第1メタルライン13
0を形成させるとともに、第2ゲート電極123aと第
1強誘電体キャパシタの第2電極160とを電気的に連
結する第2メタルライン130aを形成する。
【0101】図面は二つのセルに対して示したもので、
第1ゲート電極と第2ゲート電極とが各々一つずつ図示
されているが、実際のセルアレイでは複数の第1ゲート
電極と第2ゲート電極が形成される。従って、第1メタ
ルライン130は行方向に同一線上に位置した第1ゲー
ト電極を電気的に連結させる第1スプリットワードライ
ン(SWL1)の役割を果たし、第2メタルライン13
0aもまた行方向に同一線上に位置した第2ゲート電極
を電気的に連結させる第2スプリットワードライン(S
WL2)の役割を果たす。そして、第1メタルライン1
30と第2メタルライン130aはアクティブ領域を横
切る方向に形成される。
【0102】その後、第1、第2メタルライン130、
130aを含む基板の全面に第3絶縁層134を形成し
た後、その表面を平坦化させる。そして、第1トランジ
スタのドレインである第1ドレイン領域125と第2ト
ランジスタのドレインである第2ドレイン領域(図示せ
ず)が露出されるように第3絶縁層170、第2絶縁層
131、第1絶縁層126を選択的にエッチングして、
第1ビットラインコンタクト132と第2ビットライン
コンタクト(図示せず)を形成する。
【0103】図19gに示すように、第1ビットライン
コンタクト132を介して第1ドレイン領域125と電
気的に連結され、第1メタルライン130を横切る方向
に第1ビットライン133を形成し、第2ビットライン
コンタクト(図示せず)を介して第2ドレイン領域(図
示せず)と電気的に連結される第2ビットライン(図示
せず)を形成すると、本発明の第4実施形態による不揮
発性強誘電体メモリ素子の製造工程が完了する。
【0104】
【発明の効果】本発明は、スプリットワードラインが強
誘電体キャパシタの上部電極となるので、素子の段差を
少なくすることができ、また、強誘電体キャパシタの第
1電極が基板に直接接触しているので、セル構成による
段差も改善することができ、全体として厚さの少ない素
子とすることができる。
【0105】また、本発明は、キャパシタの第1電極が
トランジスタの不純物領域に直接接触し、かつ第2電極
がスプリットワードラインを構成しているので、キャパ
シタの接触抵抗が低くなる。
【0106】さらに、本発明は、スプリットワードライ
ンを強誘電体キャパシタの上部電極と同一物質で同時に
形成することができるので、工程をより簡略化させ且
つ、キャパシタの面積を効率よく増加させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的な強誘電体のヒステリシスループを示す
特性図。
【図2】従来技術による不揮発性強誘電体メモリ素子の
回路的構成図。
【図3a】従来の不揮発性強誘電体メモリ素子の書込み
モードの動作を示すタイミング図。
【図3b】従来の不揮発性強誘電体メモリ装置の読み出
しモードの動作を示すタイミング図。
【図4a】従来の不揮発性強誘電体メモリ素子のレイア
ウト図。
【図4b】図4aのI−I’線による不揮発性強誘電体
メモリ素子の構造断面図。
【図5a】〜
【図5f】図4aのI−I’線による不揮発性強誘電体
メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面図。
【図6】本発明の不揮発性強誘電体メモリ素子の回路的
構成図。
【図7】簡略化した本発明の不揮発性強誘電体メモリ装
置の回路的構成図。
【図8】本発明の不揮発性強誘電体メモリ素子の動作を
説明するためのタイミング図。
【図9】本発明の第1実施形態による不揮発性強誘電体
メモリ素子のレイアウト図。
【図10】図9のI−I’線による構造断面図。
【図11a】〜
【図11h】本発明の第1実施形態による不揮発性強誘
電体メモリ素子の製造方法を説明するためのレイアウト
工程図。
【図12a】〜
【図12h】本発明の第1実施形態による不揮発性強誘
電体メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面
図。
【図13】本発明の第2実施形態による不揮発性強誘電
体メモリ素子の構造断面図。
【図14a】〜
【図14h】本発明の第2実施形態による不揮発性強誘
電体メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面
図。
【図15】本発明の第3実施形態による不揮発性強誘電
体メモリ素子の構造断面図。
【図16a】〜
【図16g】本発明の第3実施形態による不揮発性強誘
電体メモリ素子のレイアウト工程図。
【図17a】〜
【図17g】図16a〜図16gのI−I’線による製
造工程の断面図。
【図18】本発明の第4実施形態による不揮発性強誘電
体メモリ素子の構造断面図。
【図19a】〜
【図19g】本発明の第4実施形態による不揮発性強誘
電体メモリ素子の製造方法を説明するための工程断面
図。
【符号の説明】
120:半導体基板 123、123a:第1、第2ゲート電極 124、124a:第1、第2ソース領域 125、125a:第1、第2ドレイン領域 127、127a:第1、第2強誘電体キャパシタの第
1電極 128、128a:第1、第2強誘電体キャパシタの強
誘電体層 130、130a:第1、第2メタルライン 132、132a:第1、第2ビットラインコンタクト 133、133a:第1、第2ビットライン 160、160a:第1、第2強誘電体キャパシタの第
2電極

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも第1、第2トランジスタ及び
    それらに対応して設けられた第1、第2強誘電体キャパ
    シタを備えた不揮発性強誘電体メモリ素子において、 基板に形成された少なくとも第1及び第2アクティブ領
    域と、 基板の第1アクティブ領域にその付近にのみ形成された
    第1トランジスタ用の第1ゲート電極と第2アクティブ
    領域にその付近にのみ形成された第2トランジスタ用の
    第2ゲート電極と、 前記各ゲート電極の一方側に前記基板が露出されるよう
    にトレンチが形成された第1絶縁層と、 前記各トレンチの底面及び側面に沿って各々形成された
    強誘電体キャパシタの第1電極と、 前記各々の第1電極上に形成された強誘電体層と、 前記第1ゲート電極と連結されるとともに、前記第2強
    誘電体キャパシタの第2電極となる第1スプリットワー
    ドラインと、 前記第2ゲート電極と連結されるとともに、前記第1強
    誘電体キャパシタの第2電極となる第2スプリットワー
    ドラインと、 前記第1ゲート電極の他方側と連結される第1ビットラ
    インと、 前記第2ゲート電極の他方側の基板と連結される第2ビ
    ットラインとを備えていることを特徴とする不揮発性強
    誘電体メモリ素子。
  2. 【請求項2】 前記強誘電体キャパシタの第1電極の下
    部にバリアメタル層をさらに設けることを特徴とする請
    求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ素子。
  3. 【請求項3】 前記強誘電体キャパシタの第1電極の物
    質はPt、Ir、Ruのうち何れか一つであることを特
    徴とする請求項1記載の不揮発性強誘電体メモリ素子。
  4. 【請求項4】 前記バリアメタル層の物質はTiN、R
    uO2、IrO2、PtSi2のうち何れか一つであるこ
    とを特徴とする請求項2記載の不揮発性強誘電体メモリ
    素子。
  5. 【請求項5】 前記強誘電体キャパシタの第1電極は前
    記トレンチ内に埋め込まれていることを特徴とする請求
    項1記載の不揮発性強誘電体メモリ素子。
  6. 【請求項6】 前記第1絶縁層上の強誘電体キャパシタ
    の第1電極の上部を含む前記トレンチ周辺にまで強誘電
    体層を構成することを特徴とする請求項5記載の不揮発
    性強誘電体メモリ素子。
  7. 【請求項7】 前記強誘電体キャパシタの第1電極の下
    部にバリアメタル層をさらに設けることを特徴とする請
    求項5記載の不揮発性強誘電体メモリ素子。
  8. 【請求項8】 少なくとも第1、第2トランジスタ及び
    それらに対応して設けられた第1、第2強誘電体キャパ
    シタを備えた不揮発性強誘電体メモリ素子において、 半導体基板に形成させた第1及び第2アクティブ領域
    と、 前記第1アクティブ領域の付近にのみ形成された第1ゲ
    ート電極及び前記第2アクティブ領域の付近にのみ形成
    された第2ゲート電極と、 各ゲート電極の一方側の基板が露出されるようにトレン
    チを有する第1絶縁層と、 前記各トレンチ内に形成させた第1電極、その上に形成
    させた強誘電体層及び第2電極からなる強誘電体キャパ
    シタと、 前記第1ゲート電極と連結されるとともに、前記第2強
    誘電体キャパシタの第2電極と連結される第1スプリッ
    トワードラインと、 前記第2ゲート電極と連結されるとともに、前記第1強
    誘電体キャパシタの第2電極と連結される第2スプリッ
    トワードラインと、 前記第1ゲート電極の他方側の基板に連結される第1ビ
    ットラインと、 前記第2ゲート電極の他方側の基板に連結される第2ビ
    ットラインとを備えていることを特徴とする不揮発性強
    誘電体メモリ素子。
  9. 【請求項9】 前記強誘電体キャパシタの第1電極の下
    部にバリアメタル層をさらに設けることを特徴とする請
    求項8記載の不揮発性強誘電体メモリ素子。
  10. 【請求項10】 前記強誘電体キャパシタの第1電極は
    前記トレンチ内に埋め込まれていることを特徴とする請
    求項8記載の不揮発性強誘電体メモリ素子。
  11. 【請求項11】 前記強誘電体キャパシタの第1電極上
    に、各々強誘電体層と強誘電体キャパシタの第2電極を
    構成することを特徴とする請求項10記載の不揮発性強
    誘電体メモリ素子。
  12. 【請求項12】 前記強誘電体キャパシタの第1電極の
    下部にバリアメタル層を構成することを特徴とする請求
    項10記載の不揮発性強誘電体メモリ素子。
  13. 【請求項13】 少なくとも第1、第2トランジスタ及
    びそれらに対応して設けられた第1、第2強誘電体キャ
    パシタを備えた不揮発性強誘電体メモリ素子の製造にお
    いて、 半導体基板に第1アクティブ領域と第2アクティブ領域
    を区画する工程と、 前記第1アクティブ領域の付近にのみ第1ゲート電極を
    形成し、前記第2アクティブ領域の付近にのみ第2ゲー
    ト電極を形成する工程と、 前記第1、第2ゲート電極の一方の側の基板が露出され
    るようにトレンチを有する第1絶縁層を形成する工程
    と、 前記各トレンチの底面と側面に強誘電体キャパシタの第
    1電極を形成する工程と、 前記各々の強誘電体キャパシタの第1電極上に強誘電体
    層を形成する工程と、 前記第1ゲート電極と連結されるとともに、前記第2強
    誘電体キャパシタ用の第2電極となる第1スプリットワ
    ードラインと、前記第2ゲート電極と連結されととも
    に、前記第1強誘電体キャパシタ用の第2電極となる第
    2スプリットワードラインを形成する工程と、 前記第1ゲート電極の他方の側の基板に連結される第1
    ビットラインを形成する工程と、 前記第2ゲート電極の他方の側の基板に連結される第2
    ビットラインを形成する工程とを備えることを特徴とす
    る不揮発性強誘電体メモリ素子の製造方法。
  14. 【請求項14】 前記強誘電体キャパシタ用の第1電極
    を形成する工程は前記第1、第2ゲート電極を含む基板
    の全面に第1絶縁層を形成する工程と、 前記第1、第2ゲート電極の一方の側の基板が露出され
    るように第1絶縁層をエッチングしてトレンチを形成す
    る工程と、 前記各トレンチを含む全面に強誘電体キャパシタの第1
    電極物質層を形成する工程と、 前記第1絶縁層が露出されるまで平坦化して前記各コン
    タクトホールの内側面及び底面面に強誘電体キャパシタ
    の第1電極を各々形成する工程とからなることを特徴と
    する請求項20記載の不揮発性強誘電体メモリ素子の製
    造方法。
  15. 【請求項15】 前記第1、第2スプリットワードライ
    ンを形成する工程は、前記強誘電体キャパシタの第1電
    極上に各々強誘電体層を形成する工程と、 前記第1絶縁層を選択的に除去して前記第1、第2ゲー
    ト電極を露出させる工程と、 露出した第1ゲート電極に連結され、第2強誘電体キャ
    パシタ用の第2電極として使用される第1スプリットワ
    ードラインと、前記第2ゲート電極に連結され、第1強
    誘電体キャパシタ用の第2電極として使用される第2ス
    プリットワードラインを形成する工程とを有することを
    特徴とする請求項13記載の不揮発性強誘電体メモリ素
    子の製造方法。
  16. 【請求項16】 前記強誘電体キャパシタの第1電極は
    CVDまたはスパッタリング法で形成することを特徴と
    する請求項13記載の不揮発性強誘電体メモリ素子の製
    造方法。
  17. 【請求項17】 前記強誘電体キャパシタの第1電極の
    下部にバリアメタル層を形成する工程を更に含むことを
    特徴とする請求項13記載の不揮発性強誘電体メモリ素
    子の製造方法。
  18. 【請求項18】 前記強誘電体キャパシタの第1電極を
    形成する工程は前記各トレンチ内に前記強誘電体キャパ
    シタの第1電極を埋め込むことを特徴とする請求項13
    記載の不揮発性強誘電体メモリ素子の製造方法。
  19. 【請求項19】 前記強誘電体キャパシタの第1電極を
    埋め込む工程はソル−ゲル工程を用いることを特徴とす
    る請求項18記載の不揮発性強誘電体メモリ素子の製造
    方法。
  20. 【請求項20】 前記強誘電体キャパシタの第1電極を
    形成する前にバリアメタル層を形成する工程を含むこと
    を特徴とする請求項18記載の不揮発性強誘電体メモリ
    素子の製造方法。
  21. 【請求項21】 前記強誘電体キャパシタの第1電極を
    埋め込ませた後、前記第1電極及びトレンチ周辺の第1
    絶縁層上に複数の強誘電体層を形成する工程と、 前記強誘電体層を含む全面に第2絶縁層を形成する工程
    と、 前記第1、第2ゲート電極及び前記強誘電体層が露出さ
    れるようにコンタクトホールを形成する工程と、 前記第1ゲート電極及び前記第2強誘電体キャパシタ用
    の強誘電体層と連結されるように第1スプリットワード
    ラインを形成し、前記第2ゲート電極及び前記第1強誘
    電体キャパシタ用の第2電極と連結されるように第2ス
    プリットワードラインを形成する工程とを含むことを特
    徴とする請求項18記載の不揮発性強誘電体メモリ素子
    の製造方法。
  22. 【請求項22】 少なくとも第1、第2トランジスタ及
    びそれと対応する第1、第2強誘電体キャパシタを備え
    た不揮発性強誘電体メモリ素子の製造において、 半導体基板に第1アクティブ領域と第2アクティブ領域
    を区画する工程と、 前記第1アクティブ領域の付近に第1ゲート電極を形成
    し、前記第2アクティブ領域の付近に第2ゲート電極を
    形成する工程と、 前記第1、第2ゲート電極の一方の側の基板が露出され
    るようにトレンチを有する第1絶縁層を形成する工程
    と、 前記各トレンチ内に強誘電体キャパシタの第1電極を形
    成する工程と、 前記各々の第1電極の上に強誘電体層を形成する工程
    と、 前記各強誘電体層上に強誘電体キャパシタの第2電極を
    形成する工程と、 前記第1ゲート電極と前記第2強誘電体キャパシタ用の
    第2電極とを電気的に連結する第1スプリットワードラ
    インと、前記第2ゲート電極と前記第1強誘電体キャパ
    シタ用の第2電極とを電気的に連結する第2スプリット
    ワードラインを形成する工程と、 前記第1ゲート電極の他方の側の基板に連結される第1
    ビットラインと、前記第2ゲート電極の他方の側の基板
    に連結される第2ビットラインを形成する工程とを備え
    ていることを特徴とする不揮発性強誘電体メモリ素子の
    製造方法。
  23. 【請求項23】 前記強誘電体キャパシタの第1電極、
    強誘電体層、そして、強誘電体キャパシタの第2電極は
    CVDまたはスパッタリングで形成することを特徴とす
    る請求項22記載の不揮発性強誘電体メモリ素子の製造
    方法。
  24. 【請求項24】 前記強誘電体キャパシタの第1電極の
    下部にバリアメタル層を更に形成する工程を含むことを
    特徴とする請求項22記載の不揮発性強誘電体メモリ素
    子の製造方法。
  25. 【請求項25】 前記強誘電体キャパシタの第1電極は
    前記各コンタクトホール内に埋め込ませることを特徴と
    する請求項22記載の不揮発性強誘電体メモリ素子の製
    造方法。
  26. 【請求項26】 前記強誘電体キャパシタの第1電極を
    形成した後、前記第1電極及び前記トレンチの周辺の第
    1絶縁層上に強誘電体層を形成する工程と、前記強誘電
    体層上に強誘電体キャパシタの第2電極を形成する工程
    とを含むことを特徴とする請求項25記載の不揮発性強
    誘電体メモリ素子の製造方法。
  27. 【請求項27】 前記強誘電体キャパシタの第1電極は
    ソル−ゲル工程で形成し、前記強誘電体層と強誘電体キ
    ャパシタの第2電極はCVDまたはスパッタリングで形
    成することを特徴とする請求項25記載の不揮発性強誘
    電体メモリ素子の製造方法。
  28. 【請求項28】 前記第1、第2強誘電体キャパシタの
    第1電極を形成した後、平坦化工程を実施することを特
    徴とする請求項26記載の不揮発性強誘電体メモリ素子
    の製造方法。
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