JP2002261249A - 半導体記憶素子 - Google Patents
半導体記憶素子Info
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Abstract
化に適した劣化の少ない不揮発性メモリとしての半導体
記憶素子を提供すること。 【解決手段】 Si単結晶基板1上の形成されたソース
2と、Si単結晶基板1上の形成されたドレイン3と、
Si単結晶基板1上に形成されたトランジスタのゲート
部分にエピタキシャル成長されたγ−Al2O3薄膜4
と、γ−Al2O 3薄膜4上に形成された強誘電体薄膜
5と、強誘電体薄膜5上に形成されたPt電極6とで構
成され、Si基板上にエピタキシャル成長されたγ−A
l2O3単結晶薄膜を介して、高配向強誘電体薄膜を形
成することにより、強誘電体の自発分極により直接ソー
ス−ドレイン間の電流をオン、オフすることができる。
Description
関し、より詳細には、トランジスタのゲートに強誘電体
を用いてソース−ドレイン間電流を直接制御することが
できる不揮発性メモリに係るものである。
る間のみ情報を記憶することができる揮発性メモリと、
電源を断たれた状態においても情報を記憶することがで
きる不揮発性メモリとがある。揮発性メモリとしては、
DRAM(Dynamic Random Access Memory)、SRAM
(Static Random Access Memory)などがあり、不揮発
性メモリとしてはPROM(Programmable Read Only M
emory)、EPROM(Erasable Programmable Read On
ly Memory)、EEPROM(Electrically Erasable a
nd Programmable Read Only Memory)などがある。
M、EEPROMは、RAMのように記憶内容を書き換
えることができるROMで、コントロールゲートとチャ
ネルとの間にフローティングゲートを有するMOS−F
ET(MOS型電界効果トランジスタ)構造をとるもの
が一般的である。EPROMは、紫外線を照射すること
によりフローティングゲート内のキャリアを放出させて
消去動作をさせ、コントロールゲートとドレインの間に
高電圧を加えた際に生じるホットエレクトロンがフロー
ティングゲート内に残留することを利用して、書き込み
動作をさせる。EEPROMでは、紫外線を照射するこ
となく消去動作をさせることができる。
たフローティングゲート型のMOS−FETは、書き込
みや消去動作には、msec.オーダの時間と107 V/cmオ
ーダの高電界を必要とする。このため、EEPROMで
は、通常のDRAMのように同一サイクルでの書き込み
や消去動作を実現することができず、また、電圧の高い
電源も必要となる。
(Ferroelectric Random Access Memory)の多くは、D
RAMのキャパシタを強誘電体キャパシタに置き換えた
構造をとっている(例えば、特開平2−113496号
公報参照)。
することにより、強誘電体が反転分極する際に発生する
電荷量を強誘電体キャパシタからなる参照用キャパシタ
の電荷量と比較する動作をするため、書き込み時だけで
なく、消去や読み出し動作いずれもが強誘電体の分極反
転を伴い、強誘電体の疲労が激しい。また、トランジス
タとキャパシタを別々に設ける必要があり、面積縮小化
に不利となる。特に強誘電体としてPZT(PbZrx
Ti1−xO3)が一般的に使用されるが、この場合P
b原子がシリコン中に拡散し、素子の劣化を引き起こす
ことも知られている。
MOS−FETのゲートを制御するシングルトランジス
タ型強誘電体メモリ素子も提案されている。これは単一
のメモリ素子の面積をDRAM以下に小さくできるこ
と、書き込みや読み出し動作を極めて高速に出来ること
などの優れた特徴を持っているが、上述したFRAMと
同様に、強誘電体とシリコンとのヘテロ界面の制御が困
難という本質的な問題を抱えている。
と強誘電体の間にバッファ層を形成するMFIS(Meta
l/Ferroelectric/Insulator/Semiconductor)構造や
MFMIS(Metal/Ferroelectric/Metal/Insulator
/Semiconductor)構造も提案されている。これは、強
誘電体と半導体層の間にCeO2などのバッファ層を形
成し、界面の改質を図ると同時に、強誘電体中からPb
原子などの半導体中への拡散を防ごうとするものである
(例えば、特開平6−97452号公報参照)。
完全に防ぐためにはバッファ層の膜厚を厚くせざるを得
ず、その結果、バッファ層部分のキャパシタンスが小さ
くなる。また、CeO2などを成長する過程において、
Siとの界面に誘電率の小さいSiO2が生成するた
め、さらに全体のキャパシタンスを低下させる。これら
に理由により、ゲートにかけた電圧の大部分がバッファ
層側にかかるようになり、強誘電体を反転させるために
非常に大きな電圧をかける必要が出てくるといった欠点
が指摘されている。また、これはバッファ層へ大きな電
圧をかけながら動作させることになり、劣化も招きやす
いことも懸念される。
に、基板上にエピタキシャル成長された複数の絶縁材料
(Y2O3、CaF2、BaF2、TaO3、Si
O2、Si 3N4)を有する電子部品であって、この電
子部品が、構造的または機能的にみてFRAMであるこ
とが、例えば、国際公開第91/13465パンフレッ
トに開示されている。しかしながら、ここに記載されて
いるCaF2、BaF2の弗化物は、ミスマッチは小さ
いものの、酸化物でなく弗化物であるため、強誘電体薄
膜の形成時、あるいはその後の熱処理において、膜中の
弗素が強誘電体薄膜中に拡散して強誘電体性を劣化させ
るという問題がある。
え可能な不揮発性メモリに関するもので、シリコン半導
体基板とPZT強誘電体材料との間に、両方に格子整合
の良いMgAl2O4をバッファ層としてエピタキシャ
ル法で形成することが、例えば、特開平2−23297
4号公報に開示されている。
や類似のデバイスにおいて、シリコン基板などの半導体
基板上にエピタキシャル成長させたり、エピタキシャル
成長させる絶縁物についての記載はあるものの、製造温
度が高くプロセス上問題があり、また、半導体との界面
準位が小さいという条件を満足していないので、MOS
構造として求められる動作をすることができないという
問題があり、良質な強誘電体薄膜を得るという点では依
然として解決されない課題を残している。
たもので、その目的とするところは、高速かつ強誘電体
の疲労が少なく、面積縮小化に適した劣化の少ない不揮
発性メモリとしての半導体記憶素子を提供することにあ
る。
的を達成するために、請求項1に記載の発明は、半導体
単結晶基板上に形成されたトランジスタのゲート部分
に、エピタキシャル成長させたにγ−Al2O3単結晶
薄膜を設けるとともに、該γ−Al2O3単結晶薄膜上
に高配向の強誘電体薄膜を順次積層してなることを特徴
とするものである。
に記載の発明において、前記半導体単結晶基板として、
Si単結晶基板を用いたことを特徴とするものである。
又は2に記載の発明において、前記Si単結晶基板の表
面が(100)面であることを特徴とするものである。
1,2又は3に記載の発明において、前記強誘電体薄膜
は、γ−Al2O3単結晶薄膜と格子ミスマッチが3.
5%以下であることを特徴とするものである。
1,2又は3に記載の発明において、前記強誘電体薄膜
として、BaMgF4、Bi4Ti3O12、BaTi
O3、BaxSr1−xTiO3、SrBi2Ta2O
9、PbTiO3、PbZrxTi1−xO3、Pby
La1−yZrxTi1−xO3のうちいずれかの薄膜
を用いることを特徴とするものである。
は、半導体単結晶基板上に形成されたトランジスタにお
けるゲート部分とは、半導体単結晶基板上に不純物拡散
によって形成されたソースおよびドレインの間を流れる
電流をオン、オフすることを目的とした、電解効果型ト
ランジスタのゲート電極のことである。
2O3の単結晶薄膜がエピタキシャル成長することは、
たとえばRHEED(高速反射電子回折法)による回折
像を観察することによって確認することができる。ま
た、さらにその上に高配向の強誘電体薄膜を順次積層す
るということは、γ−Al2O3単結晶薄膜の上にγ−
Al2O3単結晶薄膜表面に対して垂直方向に結晶方向
の異方性を強く積層させることをいう。
を作製した場合、ゲート電極を用いて強誘電体の自発分
極を反転させることによって、ソース−ドレイン間電流
をオン、オフすることができる。このとき強誘電体の自
発分極を反転させるためには、基板−ゲート間、もしく
はドレイン−ゲート間、もしくはソース−ゲート間に電
圧を印加する必要がある。強誘電体の自発分極の反転速
度は極めて速く、DRAM並みの書き換え、消去の動作
速度を得ることができる。また、トランジスタのほかに
キャパシタを設ける必要がないので、面積縮小化に有利
となる。半導体単結晶基板と強誘電体薄膜との間に設け
るγ−Al2O3薄膜は、単結晶基板と強誘電体薄膜と
が相互拡散して強誘電体が劣化するのを防ぐためのバッ
ファ層として不可欠である。
半導体単結晶基板として、Si単結晶基板を使用する。
Si単結晶基板を用いた場合、単結晶γ−Al2O3が
極薄膜で成長できること、また、Si基板との界面に誘
電率の低いSiO2などが生成しないことなどが確かめ
られているが(例えば、MATERIALS RESEARCH SOCIETYSY
MPOSIUM PROCEEDINGS 1996 VOL 401,page(s) 39-44な
ど)、これらの結果、強誘電体記憶素子として動作させ
る場合に、バッファ層に分配される電圧が小さくなり、
強誘電体を分極反転させるのが容易になる。
Si単結晶基板の表面が(100)面であるが、この場
合、γ−Al2O3を成長した場合の原子配列は、図1
に示すように、実効的な格子ミスマッチは2.4%と小
さく、γ−Al2O3(100)面を表面としてエピタ
キシャル成長をすることがわかった。この場合、Siと
の界面準位も1.7×1011cm−2と少なく、MO
S−FETのゲート電極としても十分使用可能であるた
め(Applied Physics Letters Vol.52(1988)1326)、さ
らに好ましい。
は、前記強誘電体薄膜は、γ−Al 2O3単結晶薄膜と
格子ミスマッチが3.5%以下であることを特徴とする
ものである。一般に、ペロブスカイト型化合物をSi単
結晶基板上に成長させる場合、界面にSiO2が生成す
るなどして成長を阻害するため、単結晶や単一の配向膜
を得るのは困難である。しかしながら、、γ−Al2O
3は高温でも非常に安定であるために、これをバッファ
層として用いた場合、エピタキシャル成長を容易に実現
でき、強誘電体性を発現させることができる。
F4、Bi4Ti3O12、BaTiO 3、BaxSr
1−xTiO3、SrBi2Ta2O9、PbTi
O3、PZT、PLZT(PbyLa1−yZrxTi
1−xO3)のいずれかの薄膜を用いるが、例えば、P
ZTとγ−Al2O3との格子ミスマッチは1.89%
と小さく、大きくてもBi4Ti3O12の3.07%
で、これらの強誘電体はγ−Al2O3単結晶薄膜上で
配向膜を形成する。
の自発分極を反転させ、直接ソース−ドレイン間の電流
をオン、オフすることができ、不揮発性メモリとしての
作用をさせることができる。
に配する強誘電体メモリに関して、強誘電体酸化物と半
導体との相互拡散を防ぐためにはバッファ層は必須であ
る。そして、相互拡散を防ぐだけではなく、バッファ層
としては以下の特性も求められる。
る強誘電体層と格子マッチングがよいこと(単結晶又は
配向性の高い強誘電体が成長して誘電分極が大きくな
る)。 2)できるだけ誘電率が大きいこと(強誘電体と直列に
配置するため、バッファ層の誘電率が小さいとバッファ
層部分の容量が小さくなり、ゲートに電圧をかけた場合
に、効率よく誘電体を分極させることが出来ない)。 3)上述した2)が不十分な場合には、出来るだけ薄膜
で成長できること。 4)バッファ層の成長中において、半導体との界面にS
iO2などが形成されないこと(SiO2も誘電率が小さ
いため、形成されると誘電分極に不利になる)。 5)半導体との界面準位が小さいこと。 6)絶縁耐圧が大きいこと(絶縁破壊により電荷が注入
されることを防ぐためであり、また、長期安定性を持た
せるためにも必要である)。
せるバッファ層は、現実にはまだ存在していない。
記載のものは、MgAl2O4を薄膜で積層することによ
ってPZTのC軸配向を得ようとしているが、バッファ
層として、実施例のように3μmの厚い薄膜で成長する
と、上述した3)の条件を満足せず好ましくない。また
MgAl2O4の成長には、通常1000〜1200℃の
高い温度を必要とするため、半導体中の不純物の拡散や
線膨張係数の違いによるクラックの発生などの問題もあ
る。また、半導体との界面準位が小さいという条件を満
足したいないため、MOS構造として求められる動作を
することができない。
ァ層とした構造では、上記2)以外の条件は全て満足し
ていることが実験的に確かめられている。特に、10n
mの極薄膜でも界面にSiO2などを作ることなくγ−
Al2O3が形成されるので、実質的にバッファ層部分に
かかる電圧を小さくできるという特徴を有している。そ
のため、ほぼ理想的なバッファ層を提供することができ
る。
施例について説明する。図2は、本発明の一実施例にお
ける半導体記憶素子の基本構造を断面形状より示した図
で、図中符号1はSi単結晶基板で、2はSi単結晶基
板1上の形成されたソース、3はSi単結晶基板1上の
形成されたドレイン、4はSi単結晶基板1上に形成さ
れたトランジスタのゲート部分にエピタキシャル成長さ
れたγ−Al2O3薄膜、5はγ−Al2O3薄膜4上
に形成された強誘電体薄膜、6は強誘電体薄膜5上に形
成されたPt電極である。
i(100)単結晶基板を用い、この基板をUHV−C
VD(Ultra High vacuum Chemical Vapor depositio
n)装置に導入し、1×10−5Paの真空中におい
て、約900℃に加熱した。ここにアルミ原料としてト
リメチルアルミニウム(TMA:Al(CH3)3)中
でバブリングしたN2を、酸素原料としてO2を導入
し、約100オングストロームのγ−Al2O3を成長
した。
り表面観察した結果を、図3(a)に示す。γ−Al2
O3がエピタキシャル成長していることを示す明瞭なパ
ターンが観察できた。
(100)上に、PZT薄膜をゾル−ゲル法にて成膜し
た。これは、Zr:Tiの原子組成比が52:48にな
るように調整したPZT溶液を、γ−Al2O3/Si
基板上にスピンオン塗布し、450℃にて5分間の仮焼
成した後、650℃にて30分間の本焼成するプロセス
を3回繰り返すことによって得た。この薄膜を、X線回
折装置を用いて分析を行ったところ、PZT(100)
面に強く配向していることが確認できた(図4)。通
常、単結晶でない基板上へは、PZT(110)面が強
く配向した構造となるが、本実施例の場合は、強誘電性
を強く示すC軸方位の成長が可能であることが大きな特
徴である。
M(走査型電子顕微鏡)、光学顕微鏡で観察した結果
を、図5(a)、(c)に示す。成膜後のPZTの表面
にはクラックなどは観察されず、誘電体として良好な膜
が形成されていることが確認された。
照射してスパッタリングを行いながらAES(オージェ
電子分光)測定を行ったところ、Si基板中からPbの
ピークは観察されず、Pbの拡散が防止できていること
がわかった。
i(100)表面にPt電極を電子ビーム蒸着法により
形成し、この電極を用いてC−V特性の測定を行ったと
ころ、強誘電体の自発分極による2.6Vのメモリーウ
ィンドウが観察された(図6)。これにより、十分に強
誘電体PZTの自発分極により、Siトランジスタのソ
ース−ドレイン間電流をオン、オフすることができる。
0)単結晶基板を用い、酸化炉内で1000℃に加熱
し、O2を流しながら30分間の加熱を行ない、500
オングストロームの熱酸化膜を形成した。次に、実施例
1と同様の方法にて、PZT薄膜を成膜した。この表面
を光学顕微鏡で観察した結果、図5(b)のように、P
ZTの表面に多数のクラックが発生しているのが確認さ
れた。
00)表面にPt電極を電子ビーム蒸着法により形成
し、この電極を用いてC−V特性の測定を行ったが、十
分な絶縁性が得られず、記憶素子として機能しなかっ
た。
導体単結晶基板上に形成されたトランジスタのゲート部
分に、エピタキシャル成長されたγ−Al2O3単結晶
薄膜を設けるとともに、γ−Al2O3単結晶薄膜上に
高配向の強誘電体薄膜を順次積層してなるようにしたの
で、Si基板上にエピタキシャル成長させたにγ−Al
2O3単結晶薄膜を介して、高配向強誘電体薄膜を形成
することにより、強誘電体の自発分極により直接ソース
−ドレイン間の電流をオン、オフすることができる。こ
のため、現在研究が進められているFRAMに比較し
て、読みだし動作では自発分極の反転を伴わないため、
強誘電体の膜疲労が極めて少なく、また、トランジスタ
以外の領域にキャパシタを設ける必要がないため、面積
縮小化に適した不揮発性メモリを提供できる。
ホットエレクトロンをフローティングゲートに注入する
必要がなく、より低電圧での駆動が可能となる。また、
配向性Pt電極を用いることによって実現されているM
FMIS構造のFETに比べて構造が簡単なMFIS−
FET構造の実現が可能である。また、強誘電体と半導
体基板の間に原子遮蔽効果の高いγ−Al2O3を挟む
ことによって、Pbイオンなどの半導体中への拡散を防
ぐことが出来、長期信頼性を向上することができる。こ
のように、多くの優位性を有した不揮発性メモリを提供
できる。
ときの原子配列を示した図である。
本構造を断面形状より示した図である。
したもの、またさらにPZT膜を積層した膜の表面のそ
れぞれについてRHEED観察した際の回折パターンの
写真を示した図で、(a)はSi<110>方向から電
子線を入射した場合、(b)はPZT積層後にSi<1
10>方向から電子線を入射した場合、(c)は(b)
と同様にPZTを積層した後にSi<100>方向から
電子線を入射した場合である。
γ−Al2O3を成長したものに、さらにPZT薄膜を
ゾル−ゲル法にて成膜し、その試料をX線回折装置を用
いて分析を行った結果を示す図である。
γ−Al2O3を成長したものに、さらにPZT薄膜を
ゾル−ゲル法にて成膜し、その試料の断面及び表面を、
それぞれ走査型電子顕微鏡(a)と、光学顕微鏡(c)
にて観察した写真を示す図である。また(b)は本発明
を用いずにSi基板上にSiO2膜を形成し、さらにP
ZT薄膜をゾル−ゲル法にて成膜した後の表面を光学顕
微鏡で観察した写真を示す図である。
にPt電極を電子ビーム蒸着法により形成し、この電極
を用いてC−V特性を測定した結果を示す図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 半導体単結晶基板上に形成されたトラン
ジスタのゲート部分に、エピタキシャル成長されたγ−
Al2O3単結晶薄膜を設けるとともに、該γ−Al2
O3単結晶薄膜上に高配向の強誘電体薄膜を順次積層し
てなることを特徴とする半導体記憶素子。 - 【請求項2】 前記半導体単結晶基板として、Si単結
晶基板を用いたことを特徴とする請求項1に記載の半導
体記憶素子。 - 【請求項3】 前記Si単結晶基板の表面が(100)
面であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導
体記憶素子。 - 【請求項4】 前記強誘電体薄膜は、γ−Al2O3単
結晶薄膜と格子ミスマッチが3.5%以下であることを
特徴とする請求項1,2又は3に記載の半導体記憶素
子。 - 【請求項5】 前記強誘電体薄膜として、BaMg
F4、Bi4Ti3O1 2、BaTiO3、BaxSr
1−xTiO3、SrBi2Ta2O9、PbTi
O3、PbZrxTi1−xO3、PbyLa1−yZ
rxTi1−xO3のうちいずれかの薄膜を用いること
を特徴とする請求項1,2又は3に記載の半導体記憶素
子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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