JP2003078113A - Semiconductor device and its drive method - Google Patents
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Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、MFMIS型と呼
ばれる強誘電体ゲートトランジスタを用いた半導体素子
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device using an MFMIS type ferroelectric gate transistor.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、マルチメディアの進展に伴い、大
容量のデジタル情報を高速に扱える半導体メモリの大容
量化はさらに加速されつつある。同時に、携帯商品の需
要増に伴い、電源切断後も記憶が保持される「不揮発
性」が以前にも増して重要視されている。2. Description of the Related Art In recent years, with the progress of multimedia, the increase in capacity of semiconductor memories capable of handling large amounts of digital information at high speed has been further accelerated. At the same time, as the demand for portable products has increased, “non-volatility”, in which memory is retained even after power-off, has become more important than ever.
【0003】このような背景の下、強誘電体膜を有する
不揮発メモリデバイスは、原理的に1ビット当たりの面
積が最小となる半導体メモリであり、同時にフラッシュ
メモリで課題となっていた書込み速度についても従来の
ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリに匹敵する
速度(およそ数ナノ秒)を有するため究極の半導体メモ
リと言われている。Under such a background, a non-volatile memory device having a ferroelectric film is a semiconductor memory in which the area per bit is theoretically the smallest, and at the same time, the writing speed which has been a problem in the flash memory. Is also said to be the ultimate semiconductor memory because it has a speed comparable to that of a conventional dynamic random access memory (approximately several nanoseconds).
【0004】このような不揮発メモリデバイスとして機
能する半導体素子の従来技術例としては、次に示す特開
平10−27856に記載の「不揮発性半導体記憶装置
とその製造方法」が挙げられる。As a prior art example of a semiconductor element functioning as such a non-volatile memory device, there is a "non-volatile semiconductor memory device and its manufacturing method" described in JP-A-10-27856.
【0005】図17は、不揮発メモリデバイスとして機
能する従来の半導体素子の構造を示す断面図である。同
図に示すように、従来の半導体素子は、上から順にMe
tal/Ferroelectric/Metal/In
sulator/Semiconductorという構
造を有するために、一般にMFMIS型の強誘電体ゲー
トトランジスタと呼ばれる半導体素子である。FIG. 17 is a sectional view showing the structure of a conventional semiconductor element that functions as a non-volatile memory device. As shown in the same figure, the conventional semiconductor device has Me in order from the top.
tal / Ferroelectric / Metal / In
It is a semiconductor element which is generally called an MFMIS type ferroelectric gate transistor because it has a structure of a "sulator / Semiconductor".
【0006】すなわち、従来の半導体素子は、例えばp
型不純物を含む半導体基板101と、半導体基板101
上に設けられた素子分離用絶縁膜105と、半導体基板
101上に設けられたSiO2 からなるゲート酸化膜1
02と、ゲート酸化膜102上に設けられたフローティ
ングゲートである導電体からなるゲート電極106と、
ゲート電極106の上に設けられ、MFMキャパシタを
構成する下部電極107,強誘電体膜108及び上部電
極109と、半導体基板101のうちゲート電極106
の両側方に設けられたn型不純物を含むドレイン領域1
03及びソース領域104と、ゲート電極の上でMFM
キャパシタの側面上に設けられた絶縁体からなるサイド
ウォール110と、基板上を覆う絶縁体からなる絶縁膜
111と、絶縁膜111を開口してドレイン領域10
3、ソース領域104、上部電極109の上にそれぞれ
設けられた配線112a、112b、112cとを備え
ている。また、MFMキャパシタの面積は、ゲート酸化
膜102の面積の5〜30%に抑えられている。That is, the conventional semiconductor device has, for example, p
Semiconductor substrate 101 containing type impurities, and semiconductor substrate 101
An element isolation insulating film 105 provided on the gate insulating film 105 and a gate oxide film 1 made of SiO 2 provided on the semiconductor substrate 101.
02, a gate electrode 106 made of a conductor that is a floating gate provided on the gate oxide film 102,
The lower electrode 107, the ferroelectric film 108, and the upper electrode 109 which are provided on the gate electrode 106 and constitute the MFM capacitor, and the gate electrode 106 of the semiconductor substrate 101.
Drain regions 1 provided on both sides of the drain and including n-type impurities
03 and source region 104 and MFM on the gate electrode
The sidewall 110 made of an insulator provided on the side surface of the capacitor, the insulating film 111 made of an insulator covering the substrate, and the insulating film 111 are opened to form the drain region 10.
3, wirings 112a, 112b, and 112c provided on the source region 104 and the upper electrode 109, respectively. The area of the MFM capacitor is suppressed to 5 to 30% of the area of the gate oxide film 102.
【0007】このようなMFMIS型半導体素子は、配
線112cを介して上部電極に電圧を印加し、強誘電体
膜108の分極を制御することによってドレイン電流を
制御することができるので、情報を保持するメモリとし
て機能させることができる。In such an MFMIS type semiconductor element, since a drain current can be controlled by applying a voltage to the upper electrode through the wiring 112c and controlling the polarization of the ferroelectric film 108, information is retained. Can function as a memory.
【0008】また、図17から分かるように、従来のM
FMIS型半導体素子は、ゲート酸化膜102を挟むM
ISキャパシタと強誘電体膜を挟むMFMキャパシタと
の直列接続として回路図で表現できる。このため、上部
電極109に印加された駆動電圧は、MISキャパシタ
とMFMキャパシタとに分配されることになる。Further, as can be seen from FIG. 17, the conventional M
The FMIS-type semiconductor element has an M that sandwiches the gate oxide film 102.
It can be expressed in a circuit diagram as a series connection of an IS capacitor and an MFM capacitor sandwiching a ferroelectric film. Therefore, the drive voltage applied to the upper electrode 109 is distributed to the MIS capacitor and the MFM capacitor.
【0009】一般に、強誘電体はSiO2 に比べて非常
に高い誘電率を持つため、駆動電圧を上部電極109に
印加してもMFMキャパシタに分配される電圧が小さ
く、強誘電体の分極反転が良好に行われないという不具
合があった。この不具合を解決するため、上述の従来例
では、強誘電体キャパシタの容量がゲート酸化膜キャパ
シタの容量の2倍を越えないように、すなわち強誘電体
キャパシタの電極面積がゲート酸化膜キャパシタの電極
面積の5〜30%程度に小さく構成している。In general, a ferroelectric substance has a much higher dielectric constant than SiO 2. Therefore, even if a driving voltage is applied to the upper electrode 109, the voltage distributed to the MFM capacitor is small, and the polarization inversion of the ferroelectric substance is caused. There was a problem that was not performed well. In order to solve this problem, in the above-mentioned conventional example, the capacitance of the ferroelectric capacitor does not exceed twice the capacitance of the gate oxide film capacitor, that is, the electrode area of the ferroelectric capacitor is the electrode of the gate oxide film capacitor. It is configured to be about 5 to 30% of the area.
【0010】このようなMFMキャパシタへの分配電圧
を考察するのに、従来の半導体素子の設計方法において
は、強誘電体キャパシタの容量Cfとゲート酸化膜キャ
パシタの容量Coxとのカップリング比(Cox/(C
f+Cox))により算出を行っていた。すなわち、絶
縁体を挟む平板キャパシタの容量Cは、電極の面積S、
電極間隔d、絶縁体の誘電率εを用いてC=ε×S/d
で表されるので、容量Cを小さくするには誘電率εや電
極面積Sを小さくするか、電極間隔dを大きくすればよ
い、としている。In consideration of such a distribution voltage to the MFM capacitor, in the conventional semiconductor element designing method, the coupling ratio (Cox) between the capacitance Cf of the ferroelectric capacitor and the capacitance Cox of the gate oxide film capacitor is used. / (C
f + Cox)). That is, the capacitance C of the flat plate capacitor sandwiching the insulator is the area S of the electrode,
Using the electrode spacing d and the dielectric constant ε of the insulator, C = ε × S / d
Therefore, in order to reduce the capacitance C, the dielectric constant ε and the electrode area S may be reduced or the electrode interval d may be increased.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、強誘電
体材料では、分極反転などに伴いその実効的な誘電率が
大きく変化する。一例を図18に示した。However, in a ferroelectric material, its effective permittivity greatly changes due to polarization reversal or the like. An example is shown in FIG.
【0012】図18は、膜厚500nmのジルコン酸チ
タン酸鉛(以下PZT)層を有するMFMキャパシタに
おいて、印加電圧を±20〔V〕の間でスキャンしたと
きのPZT膜の実効の比誘電率を測定した結果である。
一般にPZTの比誘電率は1000弱程度と言われる
が、図18より、この値は印加電圧が0〔V〕付近の値
を示すものであることが分かる。また、実効の比誘電率
は、分極が最も反転する電圧において極大値を示し、そ
の時の値は4000前後と極めて高い値となることが理
解される。これと同じ傾向は、他の強誘電体材料でも観
察される。FIG. 18 shows the effective relative permittivity of the PZT film when an applied voltage is scanned within ± 20 [V] in an MFM capacitor having a lead zirconate titanate (hereinafter PZT) layer having a thickness of 500 nm. Is the result of measurement.
Generally, the relative permittivity of PZT is said to be about a little less than 1000, but it can be seen from FIG. 18 that this value shows a value near an applied voltage of 0 [V]. Further, it is understood that the effective relative permittivity has a maximum value at the voltage at which the polarization is most inverted, and the value at that time is an extremely high value of around 4000. The same trend is observed with other ferroelectric materials.
【0013】このように、強誘電体の実効的な比誘電率
は分極の状態によって大きく異なるため、従来の半導体
素子の設計方法では、Cfはどの値を設定すればよいか
不明であり、性能が最適化された半導体素子を設計する
ことは、非常に困難であった。As described above, since the effective relative permittivity of a ferroelectric material greatly differs depending on the polarization state, it is unclear what value Cf should be set in the conventional semiconductor element designing method, and the performance is not clear. It has been extremely difficult to design a semiconductor device that is optimized.
【0014】また、MISキャパシタにおいても、半導
体層の空乏化などにより実効のキャパシタンスが変化す
ることはよく知られた事実である。つまり、MFMIS
型の半導体素子においては、いずれのキャパシタのキャ
パシタンスも非線形であるため、従来の半導体素子の設
計方法で使用されるような単純な計算方法ではカップリ
ング比はあくまで概算にとどまっていた。It is a well known fact that the effective capacitance of the MIS capacitor changes due to depletion of the semiconductor layer. That is, MFMIS
In a semiconductor device of the conventional type, the capacitance of any capacitor is non-linear, and therefore, the coupling ratio was only an approximation by the simple calculation method used in the conventional semiconductor device design method.
【0015】そのため、従来の半導体素子では、ゲート
絶縁膜が絶縁破壊しないように取るマージンを大きく取
り過ぎるなどして真に最適な動作を得るための構成が取
られていなかった。また、最適の動作を得るための駆動
電圧に関する検討もほとんどされていなかった。Therefore, the conventional semiconductor element has not been configured to obtain a truly optimum operation by taking a large margin for preventing the gate insulating film from dielectric breakdown. In addition, little consideration has been given to the drive voltage for obtaining the optimum operation.
【0016】本発明の目的は、半導体装置の設計を行な
う際の指針を明確にすることにより、最適な動作が得ら
れるデバイス構造を有したMFMIS型の半導体素子を
提供することにある。It is an object of the present invention to provide an MFMIS type semiconductor element having a device structure capable of obtaining an optimum operation by clarifying guidelines when designing a semiconductor device.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子は、
制御電圧供給部と、基板と、基板の上方に設けられたゲ
ート電極と、上記ゲート電極と上記基板との間に設けら
れた絶縁体からなるゲート絶縁膜と、上記基板内で上記
ゲート電極の両側方に形成されたソース・ドレイン領域
とを有する電界効果型トランジスタと、上記制御電圧供
給部と上記ゲート電極との間に介設され、上部電極,下
部電極及び上記上部電極−下部電極間に挟まれた強誘電
体膜からなる強誘電体キャパシタとを有し、情報を保持
可能な半導体素子であって、駆動電圧をVOP〔V〕、上
記ゲート絶縁膜の厚さをtI〔m〕、上記ゲート絶縁膜
の設計最大電界強度をEI(MAX)〔V/m〕とするとき、
駆動時に上記強誘電体キャパシタに印加される分配電圧
VFの最大値の絶対値|VF (MAX)|が、VOP−(tI×E
I(MAX))≦|VF(MAX)|≦VOP−(tI×EI(MAX))+
0.5で算出される範囲の電圧値となるように構成され
ている。The semiconductor device of the present invention comprises:
A control voltage supply unit, a substrate, a gate electrode provided above the substrate, a gate insulating film made of an insulator provided between the gate electrode and the substrate, and a gate electrode of the gate electrode in the substrate. A field effect transistor having source / drain regions formed on both sides, and interposed between the control voltage supply section and the gate electrode, and between the upper electrode, the lower electrode, and the upper electrode-lower electrode. A semiconductor element having a ferroelectric capacitor made of a sandwiched ferroelectric film and capable of holding information, wherein a driving voltage is V OP [V] and a thickness of the gate insulating film is t I [m ], When the designed maximum electric field strength of the gate insulating film is E I (MAX) [V / m],
The absolute value | V F (MAX) | of the maximum value of the distribution voltage V F applied to the ferroelectric capacitor at the time of driving is V OP − (t I × E
I (MAX) ) ≤ │V F (MAX) │ ≤ V OP- (t I × E I (MAX) ) +
The voltage value is in the range calculated by 0.5.
【0018】これにより、駆動電圧が一定の電圧V
OP〔V〕のとき、製造時に起こる素子のバラツキを考慮
に入れた上で、ゲート絶縁膜が絶縁破壊することなく半
導体素子を駆動させることができる。As a result, the driving voltage V is constant.
In the case of OP [V], the semiconductor element can be driven without causing dielectric breakdown of the gate insulating film, taking into consideration variations in the element that occur during manufacturing.
【0019】また、上記基板,ゲート絶縁膜及びゲート
電極からなるMISキャパシタの面積をSI〔μm2〕、
上記強誘電体キャパシタの面積をSF〔μm2〕、上記M
ISキャパシタと上記強誘電体キャパシタとの面積比R
SをRS=SI/SFとすると、上記強誘電体膜の残留分極
Pr〔μC/cm2〕と上記面積比RSとの比Pr/R S
が1〔μC/cm2〕以上であることにより、印加され
る駆動電圧に対して大きなドレイン電流が得られる。そ
のため、例えば論理回路の切替用スイッチやニューロン
素子として好ましく用いることができる。The substrate, the gate insulating film and the gate
The area of the MIS capacitor composed of electrodes is SI[Μm2],
The area of the ferroelectric capacitor is SF[Μm2], Above M
Area ratio R of the IS capacitor and the ferroelectric capacitor
SRS= SI/ SFThen the remanent polarization of the ferroelectric film
Pr [μC / cm2] And the above area ratio RSRatio of Pr / R S
Is 1 [μC / cm2] By the above, it is applied
A large drain current can be obtained with respect to the driving voltage. So
Therefore, for example, switches for switching logic circuits and neurons
It can be preferably used as an element.
【0020】また、上記電界効果型トランジスタとゲー
ト幅を除く構成が等しく、且つ電流駆動力が等しい単独
の電界効果型トランジスタを想定し、上記単独の電界効
果型トランジスタのゲート電極のゲート幅方向寸法を上
記電界効果型トランジスタのゲート幅方向の寸法W
F〔μm〕より小さいWMOS〔μm〕としたときに、ゲー
ト幅拡大比RWをRW=WF/WMOS、上記強誘電体膜の残
留分極をPr〔μC/cm 2〕、上記面積比RSをRS=
SI/SF、β=Pr/RSとすると、(0.25β−
0.6)≦1/RW≦(0.25β−0.25)の関係
が成り立っている。Further, the field effect transistor and the gate
The same configuration except for the width and the current driving force are the same
Assuming the field effect transistor of
Increase the gate width dimension of the gate electrode of the fruit type transistor.
Dimension W in the gate width direction of the field effect transistor
FW smaller than [μm]MOSWhen [μm] is set,
Width expansion ratio RWRW= WF/ WMOS, Remaining of the above ferroelectric film
Retained polarization is Pr [μC / cm 2], The above area ratio RSRS=
SI/ SF, Β = Pr / RSThen, (0.25β-
0.6) ≦ 1 / RWRelationship of ≦ (0.25β−0.25)
Is established.
【0021】これにより、ゲート幅を拡大しているため
に電界効果トランジスタ単独で用いるときと同等の大き
さのドレイン電流を得ることができる上、残留分極Pr
を考慮に入れて強誘電体キャパシタと電界効果型トラン
ジスタの面積比が最適化されている。As a result, since the gate width is expanded, a drain current of the same magnitude as when using the field effect transistor alone can be obtained, and the remanent polarization Pr is obtained.
The area ratio between the ferroelectric capacitor and the field effect transistor is optimized in consideration of the above.
【0022】また、上記設計最大電界強度をE
I(MAX)〔V/m〕、上記ゲート絶縁膜に上記設定最大電
界強度の電界がかかるときに上記強誘電体膜に誘起され
る最大分極をPMAX〔μC/cm2〕、真空の誘電率をε
O〔F/m〕、上記強誘電体膜の比誘電率をεIとすると
き、RS=PMAX/(εO・εI・EI(MAX))の関係が成り
立つことにより、残留分極Pr/最大分極PMAXが最も
大きくなるように設計されているので、保持状態におい
てほぼ最大のドレイン電流が得られるようになってい
る。The maximum design electric field strength is E
I (MAX) [V / m], the gate maximum polarization of P MAX of the electric field of the specified maximum field strength in the insulating film is induced in the ferroelectric film when such [[mu] C / cm 2], the vacuum dielectric Rate ε
O [F / m], where ε I is the relative permittivity of the ferroelectric film, the relationship of R S = P MAX / (ε O · ε I · E I (MAX) ) holds Since the polarization Pr / maximum polarization P MAX is designed to be the largest, almost the maximum drain current can be obtained in the holding state.
【0023】[0023]
【発明の実施の形態】−半導体素子の構造−
以下、本発明の実施形態に係る半導体素子について、図
面を参照しながら説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION-Structure of Semiconductor Element- A semiconductor element according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0024】図1は、本実施形態の半導体素子の上面図
を示す図である。また、図2は、図1に示す本実施形態
の半導体装置のIII−III線における断面図、図3
は、図1に示す本実施形態の半導体装置のIV−IV線
における断面図である。FIG. 1 is a diagram showing a top view of the semiconductor device of this embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line III-III of the semiconductor device of this embodiment shown in FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of the semiconductor device of this embodiment shown in FIG. 1.
【0025】なお、図1では、図を見やすくするため、
最上面の構成物のみ実線で示している。さらに、図2、
図3と同一である部分について、図を見やすくするため
一部省略して示している。また、図2、図3において
も、図に示す断面より奥にある構成物について、図を見
やすくするためにその一部を省略して示している。In FIG. 1, in order to make the diagram easy to see,
Only the topmost components are shown in solid lines. Furthermore, FIG.
Portions that are the same as those in FIG. 3 are omitted for clarity. In addition, in FIGS. 2 and 3, some of the components located at the back of the cross section shown in the drawings are omitted in order to make the drawings easy to see.
【0026】図1、図2及び図3に示すように、本実施
形態の半導体装置は、例えば活性領域を有するP型のS
i基板1と、Si基板1の活性領域と対向する面上に設
けられた基板電極8(図示せず)と、Si基板1上に設
けられた活性領域を囲む素子分離用酸化膜5と、Si基
板1上に設けられたSiO2 からなる厚さ3nmのゲー
ト絶縁膜7と、ゲート絶縁膜7の上に設けられたリンを
含むポリシリコンからなるゲート電極9と、Si基板1
のうちゲート電極9の両側方に設けられたN型不純物を
含むドレイン領域3a及びソース領域3bと、Si基板
1上に設けられたSiO2 などの絶縁体からなる第1の
層間絶縁膜11と、第1の層間絶縁膜11の上に設けら
れた厚さ20nmの窒化チタン(TiN)膜と厚さ50
nmのPt膜とからなるパッド部15a,15b及び中
間電極14と、第1の層間絶縁膜11を貫通してゲート
電極9と中間電極14とを接続するポリシリコンからな
るプラグ配線13aと、第1の層間絶縁膜11を貫通し
てドレイン領域3aとパッド部15a,ソース領域3b
とパッド部15bとをそれぞれ接続するポリシリコンか
らなるプラグ配線13b及び13cと、第1の層間絶縁
膜11の上に設けられた厚さ400nmのタンタル酸ス
トロンチウム・ビスマス(以下SBTと表記する)から
なる強誘電体膜16と、強誘電体膜16の上に設けられ
た厚さ50nmのPtからなる上部電極19と、強誘電
体膜16の上に設けられた第2の層間絶縁膜21と、第
2の層間絶縁膜21を貫通して上部電極19に至るAl
SiCu合金等の導電体からなる配線25aと、強誘電
体膜16及び第2の層間絶縁膜21を貫通してパッド部
15a,15bにそれぞれ至るAlSiCu合金等の導
電体からなる配線25b及び25cとを有している。As shown in FIGS. 1, 2 and 3, the semiconductor device according to the present embodiment is, for example, a P-type S having an active region.
an i substrate 1, a substrate electrode 8 (not shown) provided on a surface of the Si substrate 1 facing the active region, an element isolation oxide film 5 surrounding the active region provided on the Si substrate 1, A gate insulating film 7 made of SiO 2 and having a thickness of 3 nm provided on the Si substrate 1, a gate electrode 9 made of polysilicon containing phosphorus provided on the gate insulating film 7, and the Si substrate 1
A drain region 3a and a source region 3b containing N-type impurities provided on both sides of the gate electrode 9, and a first interlayer insulating film 11 made of an insulator such as SiO 2 provided on the Si substrate 1. , A titanium nitride (TiN) film having a thickness of 20 nm provided on the first interlayer insulating film 11 and a thickness of 50
pad portions 15a and 15b made of a Pt film of 15 nm and the intermediate electrode 14, a plug wiring 13a made of polysilicon for penetrating the first interlayer insulating film 11 and connecting the gate electrode 9 and the intermediate electrode 14, The drain region 3a, the pad portion 15a, and the source region 3b are penetrated through the first interlayer insulating film 11.
From the plug wirings 13b and 13c made of polysilicon for connecting the pad portion 15b and the pad portion 15b, respectively, and 400 nm thick strontium bismuth tantalate (hereinafter referred to as SBT) provided on the first interlayer insulating film 11. A ferroelectric film 16 made of Pt, an upper electrode 19 made of Pt having a thickness of 50 nm provided on the ferroelectric film 16, and a second interlayer insulating film 21 provided on the ferroelectric film 16. , Al that penetrates the second interlayer insulating film 21 and reaches the upper electrode 19
Wiring 25a made of a conductor such as a SiCu alloy, and wirings 25b and 25c made of a conductor such as an AlSiCu alloy penetrating the ferroelectric film 16 and the second interlayer insulating film 21 to reach the pad portions 15a and 15b, respectively. have.
【0027】また、図5は、本実施形態の半導体素子を
示す等価回路図である。同図からも分かるように、本実
施形態の半導体素子は、制御電圧供給部10と、ゲート
電極9,ドレイン領域3a,ソース領域3b及び厚さ3
nmのゲート絶縁膜7を有するMOSトランジスタTr
1と、MOSトランジスタのゲート電極9と制御電圧供
給部10との間に介設された中間電極14,上部電極1
9及び強誘電体膜16を有するキャパシタMFM1とか
ら構成されている。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing the semiconductor element of this embodiment. As can be seen from the figure, the semiconductor device of this embodiment has a control voltage supply unit 10, a gate electrode 9, a drain region 3a, a source region 3b, and a thickness of 3.
nm MOS transistor Tr having a gate insulating film 7
1, an intermediate electrode 14 and an upper electrode 1 provided between the gate electrode 9 of the MOS transistor and the control voltage supply unit 10.
9 and a capacitor MFM1 having a ferroelectric film 16.
【0028】また、中間電極14及び上部電極19の寸
法は共に0.14μm×0.14μmであり、ゲート電
極9のゲート長は0.14μm、ゲート幅は0.7μm
である。すなわち、キャパシタMFM1の面積は、MO
SトランジスタTr1のゲート絶縁膜7の面積の5分の
1になっている。The sizes of the intermediate electrode 14 and the upper electrode 19 are both 0.14 μm × 0.14 μm, the gate length of the gate electrode 9 is 0.14 μm, and the gate width is 0.7 μm.
Is. That is, the area of the capacitor MFM1 is MO
It is one fifth of the area of the gate insulating film 7 of the S transistor Tr1.
【0029】本実施形態の半導体素子によれば、後に詳
しく説明するように、厚さ400nmの強誘電体膜16
の材料としてSBTを、厚さ3nmのゲート絶縁膜材料
としてSiO2 を用いたときに、強誘電体膜16の分極
を考慮してキャパシタMFM1とMOSトランジスタT
r1のゲート絶縁膜との面積比を最適化しているので、
動作時にゲート絶縁膜7の耐圧範囲内で最も大きい保持
ドレイン電流が得られる。
−半導体素子の製造方法−
次に、本実施形態の半導体素子の製造方法について図を
用いて説明する。According to the semiconductor device of this embodiment, as will be described later in detail, the ferroelectric film 16 having a thickness of 400 nm is used.
When SBT is used as the material of the gate insulating film and SiO 2 is used as the material of the gate insulating film having a thickness of 3 nm, the polarization of the ferroelectric film 16 is taken into consideration and the capacitor MFM1 and the MOS transistor T
Since the area ratio of r1 to the gate insulating film is optimized,
During operation, the largest holding drain current can be obtained within the breakdown voltage range of the gate insulating film 7. —Method for Manufacturing Semiconductor Element— Next, a method for manufacturing the semiconductor element according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
【0030】図4は、本実施形態の半導体素子の製造工
程を示す図1のIV−IV線における断面図である。な
お、図4に示されていない部材については、図1〜3の
説明において用いた符号を使用して説明する。FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG. 1 showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment. In addition, about the member which is not shown in FIG. 4, it demonstrates using the code | symbol used in description of FIGS.
【0031】まず、図4(a)に示す工程で、P型のS
i基板1上に形成した図示しない窒化シリコン膜をマス
クとして基板の酸化処理を行ない、素子分離用酸化膜5
を形成する(LOCOS法)。次に、窒化シリコン膜を
昇温した燐酸などを用いて除去した後、基板を900℃
でパイロ酸化することにより厚さ3nmのSiO2 膜を
Si基板1上に形成する。その後、LPCVD法などに
より、リンなどのn型不純物を導入したポリシリコンを
SiO2 膜上に堆積してからドライエッチングによりパ
ターニングしてゲート絶縁膜7及びゲート電極9を形成
する。First, in the step shown in FIG. 4A, a P-type S
Oxidation of the substrate is performed by using the silicon nitride film (not shown) formed on the i-substrate 1 as a mask to form the element isolation oxide film 5.
Are formed (LOCOS method). Next, the silicon nitride film is removed by using heated phosphoric acid or the like, and then the substrate is heated to 900 ° C.
Then, a SiO 2 film having a thickness of 3 nm is formed on the Si substrate 1 by pyrooxidation. After that, polysilicon into which an n-type impurity such as phosphorus is introduced is deposited on the SiO 2 film by the LPCVD method or the like, and then patterned by dry etching to form the gate insulating film 7 and the gate electrode 9.
【0032】次いで、ゲート電極9をマスクとしてボロ
ン等のp型不純物を注入してから900℃、30分の熱
処理を行なうことにより、Si基板1のうちゲート電極
9の両側方にドレイン領域3a及びソース領域3bを形
成する。なお、本工程により作製されるMOSトランジ
スタは、ゲート長が0.14μm、ゲート幅が0.7μ
mである。Then, a p-type impurity such as boron is implanted using the gate electrode 9 as a mask and a heat treatment is performed at 900 ° C. for 30 minutes, whereby the drain region 3a and the drain region 3a are formed on both sides of the gate electrode 9 in the Si substrate 1. The source region 3b is formed. The MOS transistor manufactured by this process has a gate length of 0.14 μm and a gate width of 0.7 μm.
m.
【0033】次に、図4(b)に示す工程において、例え
ばLPCVD法により基板上にSiO2 を堆積して第1
の層間絶縁膜11を形成する。その後、第1の層間絶縁
膜11上にレジストマスクパターン(図示せず)を形成
してから第1の層間絶縁膜11をドライエッチングする
ことによりゲート電極9、ドレイン領域3a及びソース
領域3bに至るコンタクト窓をそれぞれ形成する。次い
で、LPCVD法などにより基板上にポリシリコンを堆
積した後でCMP法により基板表面を平坦化し、各コン
タクト窓を埋めるプラグ配線13a、13b、13cを
それぞれ形成する。次に、スパッタ法により第1の層間
絶縁膜11の上にTiNを20nm堆積した後、同じく
スパッタ法によりPtを50nm堆積する。続いて、ス
パッタ法で堆積させたSiO2 膜をパターニングして形
成した図示しないハードマスクを用いて、Pt/TiN
をArミリングによりパターニングしてプラグ配線13
aの上に中間電極14を、プラグ配線13bの上にパッ
ド部15aを、プラグ配線13cの上に15bをそれぞ
れ形成する。その後、希釈したフッ酸などでハードマス
クを除去する。Next, in the step shown in FIG. 4B, SiO 2 is deposited on the substrate by, for example, the LPCVD method to form the first layer.
The inter-layer insulating film 11 is formed. After that, a resist mask pattern (not shown) is formed on the first interlayer insulating film 11, and the first interlayer insulating film 11 is dry-etched to reach the gate electrode 9, the drain region 3a and the source region 3b. Form contact windows respectively. Then, after depositing polysilicon on the substrate by the LPCVD method or the like, the surface of the substrate is flattened by the CMP method to form plug wirings 13a, 13b, 13c for filling the contact windows, respectively. Next, after depositing 20 nm of TiN on the first interlayer insulating film 11 by the sputtering method, 50 nm of Pt is similarly deposited by the sputtering method. Subsequently, using a hard mask (not shown) formed by patterning the SiO 2 film deposited by the sputtering method, Pt / TiN
Is patterned by Ar milling to form plug wiring 13
The intermediate electrode 14 is formed on a, the pad portion 15a is formed on the plug wiring 13b, and 15b is formed on the plug wiring 13c. After that, the hard mask is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0034】なお、ここでTiN層は、Ptと多結晶シ
リコンがシリサイドを形成して抵抗が増加するのを防ぐ
ために形成している。Here, the TiN layer is formed to prevent Pt and polycrystalline silicon from forming a silicide and increasing resistance.
【0035】次に、図4(c)に示す工程で、スパッタ法
により基板温度600℃、酸素分圧20%、RFパワー
100Wの条件で第1の層間絶縁膜11の上にSBTを
堆積し、厚さ400nmの強誘電体膜16を形成する。
そして、スパッタ法により誘電体層16の上にPtを堆
積した後、図示しないSiO2 からなるハードマスクを
用いたArミリングによりそのPt層をパターニング
し、強誘電体膜16を挟んで中間電極14と対向する位
置に上部電極19を形成する。その後、希釈したフッ酸
などでハードマスクを除去する。Next, in the step shown in FIG. 4C, SBT is deposited on the first interlayer insulating film 11 by the sputtering method under the conditions of a substrate temperature of 600 ° C., an oxygen partial pressure of 20%, and an RF power of 100 W. Then, the ferroelectric film 16 having a thickness of 400 nm is formed.
Then, after depositing Pt on the dielectric layer 16 by the sputtering method, the Pt layer is patterned by Ar milling using a hard mask made of SiO 2 ( not shown), and the intermediate electrode 14 is sandwiched with the ferroelectric film 16 in between. The upper electrode 19 is formed at a position opposed to. After that, the hard mask is removed with diluted hydrofluoric acid or the like.
【0036】なお、本実施形態では、中間電極14及び
上部電極19の寸法は共に0.14μmであり、キャパ
シタMFM1の面積はMOSトランジスタのゲート絶縁
膜7(あるいはゲート電極9)の面積の5分の1に設定
している。In this embodiment, the dimensions of the intermediate electrode 14 and the upper electrode 19 are both 0.14 μm, and the area of the capacitor MFM1 is 5 minutes of the area of the gate insulating film 7 (or gate electrode 9) of the MOS transistor. It is set to 1.
【0037】次に、図4(d)に示す工程で、TEOS
(テトラエトキシシラン)を用いたプラズマCVDによ
りSiO2 を堆積した後、CMP法により平坦化するこ
とにより第2の層間絶縁膜21を形成する。その後、レ
ジストマスクを用いて第2の層間絶縁膜21及び強誘電
体膜16をドライエッチングすることによりコンタクト
窓を形成する。続いて、スパッタ法によりAlSiCu
合金を基板上に堆積した後、レジストマスクを用いてド
ライエッチングすることで第2の層間絶縁膜21上から
上部電極19に至る配線25a、パッド部15aに至る
配線25b及びパッド部15bに至る配線25cをそれ
ぞれ形成する。なお、配線25aは図示しない制御電圧
供給部10に接続されている。以上の方法により、本実
施形態の半導体素子が製造される。
−半導体素子の設計方法についての考察−
次に、半導体素子が最適な動作を得るための明確な設計
指針について、以下で考察する。Next, in the step shown in FIG.
After depositing SiO 2 by plasma CVD using (tetraethoxysilane), the second interlayer insulating film 21 is formed by planarizing by the CMP method. After that, the contact window is formed by dry etching the second interlayer insulating film 21 and the ferroelectric film 16 using the resist mask. Then, AlSiCu is formed by the sputtering method.
After depositing the alloy on the substrate, dry etching is performed using a resist mask to form the wiring 25a from the second interlayer insulating film 21 to the upper electrode 19, the wiring 25b to the pad portion 15a, and the wiring to the pad portion 15b. 25c are formed respectively. The wiring 25a is connected to the control voltage supply unit 10 (not shown). The semiconductor element of this embodiment is manufactured by the above method. -Consideration on Design Method of Semiconductor Element- Next, a clear design guideline for obtaining the optimum operation of the semiconductor element will be considered below.
【0038】図5に示すように、本実施形態の半導体素
子は、MOSトランジスタTr1のゲート電極9に、強
誘電体膜を有するキャパシタMFM1を接続した等価回
路で表される。As shown in FIG. 5, the semiconductor device of this embodiment is represented by an equivalent circuit in which the gate electrode 9 of the MOS transistor Tr1 is connected to the capacitor MFM1 having a ferroelectric film.
【0039】一方で、図2、図3から分かるように、本
実施形態の半導体素子においては、ゲート絶縁膜7とゲ
ート絶縁膜7を挟むSi基板1及びゲート電極9とによ
り規定されるMISキャパシタであるキャパシタMIS
1が、キャパシタMFM1と互いに直列に接続した構造
をとっているとみることもできる。ここで、本実施形態
の半導体素子においては、ゲート絶縁膜の材料はSiO
2以外の絶縁体でもよいことから、以下の検討では本実
施形態と同様の構造、すなわち、電圧供給部に対して互
いに直列に接続されたキャパシタMFMとMISトラン
ジスタTr(すなわちキャパシタMIS)とを有する構
造のMFMIS型半導体素子を挙げて説明する。On the other hand, as can be seen from FIGS. 2 and 3, in the semiconductor device of this embodiment, the MIS capacitor defined by the gate insulating film 7 and the Si substrate 1 and the gate electrode 9 sandwiching the gate insulating film 7 are provided. Is a capacitor MIS
It can also be considered that 1 has a structure in which the capacitor MFM1 and the capacitor MFM1 are connected in series. Here, in the semiconductor element of the present embodiment, the material of the gate insulating film is SiO 2.
Since an insulator other than 2 may be used, in the following examination, a structure similar to that of the present embodiment, that is, a capacitor MFM and a MIS transistor Tr (that is, a capacitor MIS) that are connected in series to the voltage supply unit are provided. An MFMIS type semiconductor device having a structure will be described.
【0040】まず、上述のMFMIS型半導体素子の動
作を検討する上では、特に、MISキャパシタ(キャパ
シタMIS)の容量(キャパシタンス)がキャパシタM
FMの容量と同様に重要である。First, in considering the operation of the above-mentioned MFMIS type semiconductor element, in particular, the capacitance of the MIS capacitor (capacitor MIS) is the capacitance of the capacitor M.
As important as FM capacity.
【0041】図6は、キャパシタMIS及びキャパシタ
MFMのサイズをさらに詳細に説明するための、MFM
IS型半導体素子のうちMISトランジスタTrを上か
ら見たときの投影図である。FIG. 6 shows the MFM and the capacitor MFM in more detail in order to explain the sizes thereof.
FIG. 6 is a projection view of a MIS transistor Tr of the IS type semiconductor device when viewed from above.
【0042】このキャパシタMISの面積SIは、図6
から、ゲート長L及びゲート幅Wとすると、SI=L×
Wとなる。一方、キャパシタMFMの面積は、中間電極
と上部電極のオーバーラップ部分の寸法により規定さ
れ、ここでは、中間電極と上部電極の寸法とは互いに等
しくなっている。そのため、中間電極及び上部電極の縦
方向寸法a、横方向寸法bとすると、キャパシタMFM
の面積SFは、SF=a×bで求められる。The area S I of this capacitor MIS is shown in FIG.
Therefore, if the gate length is L and the gate width is W, then S I = L ×
W. On the other hand, the area of the capacitor MFM is defined by the size of the overlapping portion of the intermediate electrode and the upper electrode, and here, the sizes of the intermediate electrode and the upper electrode are equal to each other. Therefore, assuming that the vertical dimension a and the horizontal dimension b of the intermediate electrode and the upper electrode are the capacitor MFM.
The area S F of is calculated by S F = a × b.
【0043】なお、本実施形態の半導体素子において各
部材の寸法は、例えばゲート長L=0.14μm、ゲー
ト幅W=0.7μm、キャパシタMFMの縦方向寸法a
=0.14μm、キャパシタMFMの横方向寸法b=
0.14μmである。In the semiconductor element of this embodiment, the dimensions of each member are, for example, a gate length L = 0.14 μm, a gate width W = 0.7 μm, and a vertical dimension a of the capacitor MFM.
= 0.14 μm, lateral dimension b of capacitor MFM =
It is 0.14 μm.
【0044】なお、ここでキャパシタMISの面積SI
とキャパシタMFMの面積SFとの面積比RS を以下の
式(1)で定義する。Here, the area S I of the capacitor MIS is
The area ratio R S between the area S F and the area S F of the capacitor MFM is defined by the following equation (1).
【0045】
RS =SI/SF (1)
例えば、本実施形態の半導体素子では面積比RS =
(0.14μm×0.7μm)/(0.14μm×0.
14μm)=5である。R S = S I / S F (1) For example, in the semiconductor device of this embodiment, the area ratio R S =
(0.14 μm × 0.7 μm) / (0.14 μm × 0.
14 μm) = 5.
【0046】図7は、MFMIS型半導体素子に用いら
れるキャパシタMFMのみの電圧−分極特性(P−V特
性)を示す図である。ここで、図7の横軸はキャパシタ
MFMへの印加電圧である。FIG. 7 is a diagram showing the voltage-polarization characteristic (P-V characteristic) of only the capacitor MFM used in the MFMIS type semiconductor element. Here, the horizontal axis of FIG. 7 represents the voltage applied to the capacitor MFM.
【0047】なお、図7に示すPMAX は印加電圧のスキ
ャン範囲で最大の分極値であり、以下、最大分極PMAX
と表記する。同じく、Prは電圧を除荷したときに残留
する分極値であり、以下、残留分極Prと表記する。分
極値の変化は、反時計回りのヒステリシスを描き、本実
施形態のキャパシタMFMでは、抗電圧がおよそ1.5
〔V〕、残留分極がおよそ8〔μC/cm2〕の特性を有
する。ここで、抗電圧とは強誘電体キャパシタの大多数
の双極子の分極状態を変化させるために必要な電圧のこ
とであり、この値は強誘電体材料の種類や結晶性によっ
て変化する。[0047] Incidentally, a maximum polarization value in the scan range of P MAX is the applied voltage shown in FIG. 7, hereinafter, the maximum polarization P MAX
It is written as. Similarly, Pr is the polarization value remaining when the voltage is unloaded, and will be referred to as remanent polarization Pr hereinafter. The change in the polarization value draws a counterclockwise hysteresis, and in the capacitor MFM of the present embodiment, the coercive voltage is about 1.5.
[V] and remanent polarization have a characteristic of about 8 [μC / cm 2 ]. Here, the coercive voltage is a voltage required to change the polarization state of the majority of the dipoles of the ferroelectric capacitor, and this value changes depending on the type and crystallinity of the ferroelectric material.
【0048】図8は、MFMIS型の半導体素子におい
て、キャパシタMISとキャパシタMFMとの面積比を
変えたときの駆動電圧とドレイン電流との相関を示す図
である。ここで、強誘電体膜の厚みなど、面積比Rs以
外の条件は、測定された各半導体素子で同じである。FIG. 8 is a diagram showing the correlation between the drive voltage and the drain current when the area ratio of the capacitor MIS and the capacitor MFM is changed in the MFMIS type semiconductor element. Here, the conditions other than the area ratio Rs, such as the thickness of the ferroelectric film, are the same for each measured semiconductor element.
【0049】本実施形態の半導体素子では、ドレイン電
流IDは、電圧供給部から印加される電圧VGにより制御
されている。これ以降、電圧供給部から印加される電圧
を単に駆動電圧と表記するものとする。なお、本実施形
態ではVGは−5.4〔V〕から5.4〔V〕の間でスキ
ャンしている。また、ドレイン−ソース間電圧(VD S)
は、1.8〔V〕として測定している。In the semiconductor device of this embodiment, the drain current I D is controlled by the voltage V G applied from the voltage supply section. Hereinafter, the voltage applied from the voltage supply unit will be simply referred to as a drive voltage. In the present embodiment, V G is scanned between −5.4 [V] and 5.4 [V]. The drain - source voltage (V D S)
Is measured as 1.8 [V].
【0050】図8では、面積比RS が3、5、10の各
場合についてVG−ID特性を示しており、上述のP−V
特性と同様に半時計回りのヒステリシスが観察された。
また、同図から、面積比RS が小さいほどドレイン電流
が大きくなる傾向が明らかとなった。[0050] In Figure 8, the area ratio R S is shows the V G -I D characteristic for each case 3, 5, 10, the above P-V
A counterclockwise hysteresis as well as a characteristic was observed.
Further, from the same figure, it became clear that the smaller the area ratio R S, the larger the drain current.
【0051】なお、図8には示さないが、RS=1の場
合には、VGを+5.4〔V〕にスキャンする以前にゲ
ート絶縁膜が絶縁破壊し、素子として適正な動作が得ら
れなかった。Although not shown in FIG. 8, in the case of R S = 1, the gate insulating film is broken down before V G is scanned to +5.4 [V], and the proper operation as an element is performed. I couldn't get it.
【0052】これらの現象は以下のように説明できる。These phenomena can be explained as follows.
【0053】駆動電圧VGを印加したときのキャパシタ
MFMへの分配電圧VF及びキャパシタMISへの分配
電圧VIとは、直列キャパシタの電圧分配の関係から、
以下に示す式(2),(3)のように表される。The distribution voltage V F to the capacitor MFM and the distribution voltage V I to the capacitor MIS when the drive voltage V G is applied are calculated from the relationship of the voltage distribution of the series capacitors.
It is expressed as the following equations (2) and (3).
【0054】
VF=VG×{CI/(CF+CI)} (2)
VI=VG×{CF/(CF+CI)} (3)
上の式で、CF、CIはそれぞれキャパシタMFM及びキ
ャパシタMISのキャパシタンスである。従来の半導体
素子の設計方法においては、これらのキャパシタンスを
定数とみなしていたが、ここでは電界強度やその印加履
歴などにより変わる変数として扱う。V F = V G × {C I / (C F + C I )} (2) V I = V G × {C F / (C F + C I )} (3) In the above equation, C F and C I are the capacitances of the capacitor MFM and the capacitor MIS, respectively. In the conventional semiconductor element design method, these capacitances are regarded as constants, but here they are treated as variables that change depending on the electric field strength, the application history thereof, and the like.
【0055】キャパシタンスの定義式から、キャパシタ
MFMとキャパシタMISのキャパシタンスCF,CIは
それぞれ次の式で表される。From the definition equation of capacitance, the capacitances C F and C I of the capacitor MFM and the capacitor MIS are respectively expressed by the following equations.
【0056】
CF=(εO・εF・SF)/tF (4)
CI=(εO・εI・SI)/tI (5)
上の式で、εF、εIはそれぞれキャパシタMFMとキャ
パシタMISの実効的比誘電率である。これらは定数で
はなく、各キャパシタにかかる分配電圧や電圧変化速
度、さらにεFにおいては印加電圧の履歴などで変化す
る変数である。また、εOは真空の誘電率であり、8.
854×10-12〔F/m〕である。SF、S Iはそれぞれ
キャパシタMFMの面積とキャパシタMISの面積であ
り、tF,tIはそれぞれ強誘電体膜の膜厚、ゲート絶縁
膜の膜厚である。[0056]
CF= (ΕO・ ΕF・ SF) / TF (4)
CI= (ΕO・ ΕI・ SI) / TI (5)
In the above equation, εF, ΕIAre the capacitor MFM and the capacitor respectively.
It is the effective relative permittivity of the Pasita MIS. These are constants
Distribution voltage applied to each capacitor and voltage change speed
Degree, then εFChanges with the history of applied voltage, etc.
Variable. Also, εOIs the dielectric constant of the vacuum,
854 x 10-12[F / m]. SF, S IAre each
The area of the capacitor MFM and the area of the capacitor MIS.
, TF, tIAre the ferroelectric film thickness and gate insulation, respectively
The film thickness of the film.
【0057】式(1)〜(5)の関係を用いると以下の
関係が導かれる。The following relationships are derived by using the relationships of the expressions (1) to (5).
【0058】
VF=VG/{(εF・tI)/(εI・tF・RS)+1} (6)
VI=VG/{(εI・tF・RS)/(εF・tI)+1} (7)
RSを小さくすると、式(6)の分母が大きくなるので
キャパシタMFMへの分配電圧VFが小さくなり、式
(7)の分母が小さくなるのでキャパシタMISへの分
配電圧VIが大きくなることが理解される。すなわち、
RSが小さくなるとVIへの分配電圧が増加し、ゲート絶
縁膜が絶縁破壊しやすくなる。V F = V G / {(ε F · t I ) / (ε I · t F · R S ) +1} (6) V I = V G / {(ε I · t F · R S ) / (Ε F · t I ) +1} (7) When R S is made small, the denominator of the formula (6) becomes large, so the distribution voltage V F to the capacitor MFM becomes small, and the denominator of the formula (7) becomes small. Therefore, it is understood that the distribution voltage V I to the capacitor MIS becomes large. That is,
When R S becomes small, the distribution voltage to V I increases, and the gate insulating film easily breaks down.
【0059】一方、MFMIS型である本実施形態の半
導体素子をメモリ素子として用いる場合は、強誘電体膜
の分極情報が安定であることが最優先となるため、キャ
パシタMFMの分極が飽和分極に近い方が望ましい。こ
の場合、VFが極力大きい方が望ましく、式(6)か
ら、例えばRSを大きくすることが有効な方法となる。On the other hand, when the MFMIS type semiconductor device of the present embodiment is used as a memory device, the stable polarization information of the ferroelectric film has the highest priority, and the polarization of the capacitor MFM becomes saturated polarization. Closer is desirable. In this case, it is desirable that V F be as large as possible, and from Expression (6), increasing R S is an effective method.
【0060】また、本実施形態の半導体素子を論理回路
の切替用の不揮発スイッチとしてFPGA(Field
Programmable Gate Array)のよ
うな用い方をする場合や、ニューロンコンピュータに用
いられるニューロン素子への適用などのように、抵抗可
変素子として用いる場合には、オン時のドレイン電流が
大きい、すなわち、MISトランジスタ(本実施形態の
半導体素子においてはMOSトランジスタ)のオン抵抗
が小さいことが望ましい。MFMIS型半導体素子のオ
ン抵抗については、どのように情報を保持し、読出しを
するかといった手法により若干解釈が異なってくるが、
ここでは、図8で保持点として示したように、VGを0
〔V〕、すなわち接地した状態を保持状態としている。Further, the semiconductor device of this embodiment is used as a non-volatile switch for switching logic circuits in an FPGA (Field).
A drain current at the time of ON is large, that is, a MIS transistor when used as a variable resistance element such as a programmable gate array) or a neuron element used in a neuron computer. It is desirable that the on resistance of (a MOS transistor in the semiconductor device of this embodiment) is small. Regarding the on-resistance of the MFMIS type semiconductor element, the interpretation differs slightly depending on the method of holding and reading information.
Here, V G is set to 0 as shown as the holding point in FIG.
[V], that is, the grounded state is the holding state.
【0061】MFMIS型半導体素子のオン抵抗を小さ
くする(すなわち駆動電圧に対するドレイン電流を大き
くする)ための素子構成については、従来、明確な指針
を報告した例は見られない。先に、キャパシタMFMと
キャパシタMISへの分配電圧の式を示したが、これら
の式に現れるパラメータ、特にεF については、電圧印
加履歴や電圧変化速度、その時点での電圧値で変化しつ
づけるため、計算上、その取扱いが極めて困難である。
また、それぞれの分配電圧を算出する手法が確立された
としても、保持点でのドレイン電流は、電圧の分配量以
外にも「分極の残留のしやすさ」という曖昧な成分によ
る影響を受ける。しかも、分極の残留量が与える影響を
概算する手段すら提案されていないため、単にキャパシ
タMISへの分配電圧を増やすなどの単純な原理により
見積もることができない。このため、極端な場合、MF
MIS型半導体素子においては、実際にデバイスを製造
し、それを測定して初めてデバイスの特性が明らかにな
るような場合も少なくない。With respect to the element structure for reducing the on-resistance of the MFMIS type semiconductor element (that is, increasing the drain current with respect to the driving voltage), there has been no report of a clear guideline. Although the formulas of the distribution voltage to the capacitor MFM and the capacitor MIS have been shown above, the parameters appearing in these formulas, especially ε F , continue to change depending on the voltage application history, the voltage change speed, and the voltage value at that time. Therefore, the calculation is extremely difficult to handle.
Further, even if a method for calculating each distribution voltage is established, the drain current at the holding point is affected by an ambiguous component such as “easiness of residual polarization” in addition to the voltage distribution amount. Moreover, since no means has been proposed to roughly estimate the effect of the residual polarization amount, it cannot be estimated simply by increasing the distribution voltage to the capacitor MIS. Therefore, in extreme cases, MF
In many cases, the characteristics of the MIS type semiconductor device are not revealed until the device is actually manufactured and measured.
【0062】このような動作メカニズムの複雑さが、良
好な性能を持つMFMISデバイスを実現するための大
きなハードルとなっており、現状では素子を設計する際
の指針すら提案されていない。The complexity of such an operation mechanism is a great hurdle for realizing an MFMIS device having a good performance, and at present, even a guideline for designing an element has not been proposed.
【0063】そこで、MFMIS型半導体素子の設計を
行う際に必要となる指針を明確にするため、以下でさら
に検討を進める。Therefore, in order to clarify the guideline necessary for designing the MFMIS type semiconductor element, further study will be made below.
【0064】図9は、相異なる強誘電体膜を備えるMF
MIS型半導体素子での、保持点における面積比RSと
ドレイン電流との関係を示した図である。なお、ここで
測定された半導体素子の強誘電体膜以外の構造は本実施
形態の半導体装置と同じであり、保持点の電圧も図8に
示す測定と同じく0〔V〕である。また、強誘電体膜の
材料としては、チタン酸鉛・ランタン(以下PLTと表
記する)、SBT、チタン酸ビスマス(以下BITと表
記する)の3種類を用いた。FIG. 9 shows an MF having different ferroelectric films.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an area ratio R S at a holding point and a drain current in a MIS type semiconductor element. The structure of the semiconductor element other than the ferroelectric film measured here is the same as that of the semiconductor device of this embodiment, and the voltage at the holding point is 0 [V] as in the measurement shown in FIG. As the material of the ferroelectric film, three types of lead lanthanum titanate (hereinafter referred to as PLT), SBT, and bismuth titanate (hereinafter referred to as BIT) were used.
【0065】また、図10は、PLT層を有するキャパ
シタのP−V特性を示す図、図11は、BIT層を有す
るキャパシタのP−V特性を示す図である。これらの測
定で、PLT層を有するキャパシタは、抗電圧が2.3
〔V〕程度で残留分極が20μC/cm2、BIT層を有
するキャパシタは、抗電圧が2.0〔V〕程度で残留分
極が3μC/cm2程度のヒステリシス特性を示した。FIG. 10 is a diagram showing the P-V characteristic of the capacitor having the PLT layer, and FIG. 11 is a diagram showing the P-V characteristic of the capacitor having the BIT layer. In these measurements, the capacitor with the PLT layer has a coercive voltage of 2.3.
The remanent polarization was about 20 [mu] C / cm < 2 > at about [V], and the capacitor having the BIT layer exhibited a hysteresis characteristic with a coercive voltage of about 2.0 [V] and a remanent polarization of about 3 [mu] C / cm < 2 >.
【0066】また、図9から、3種の半導体素子とも、
面積比RS が大きくなるにつれて、保持点でのドレイン
電流が小さくなることが分かる。これは、次のように説
明できる。From FIG. 9, all three types of semiconductor elements are
It can be seen that the drain current at the holding point decreases as the area ratio R S increases. This can be explained as follows.
【0067】面積比RSを大きくすると、キャパシタM
FMへの分配電圧VFが増加して強誘電体膜の分極が飽
和に近づく。一方で、キャパシタMISへの分配電圧V
Iが小さくなるので、駆動電圧VGを変化させたときの分
配電圧VIの変調度合が小さくなり、結果として保持点
での分配電圧VIも小さくなり、ドレイン電流が十分流
れるほど中間電極の電位が上昇しなくなる。このため、
ドレイン電流が小さくなるのである。When the area ratio R S is increased, the capacitor M
The distribution voltage V F to the FM increases and the polarization of the ferroelectric film approaches saturation. On the other hand, the distribution voltage V to the capacitor MIS
Since I becomes smaller, the degree of modulation of the distribution voltage V I when the drive voltage V G is changed becomes smaller, and as a result, the distribution voltage V I at the holding point also becomes smaller, and the drain electrode flows enough to drain the intermediate electrode. The electric potential stops rising. For this reason,
The drain current becomes smaller.
【0068】また、図9で、各強誘電体材料を有する半
導体素子間の差をみると、残留分極の小さい材料を用い
た半導体素子ほど小さいRS でドレイン電流が得られる
ことが分かる。例えば、単位ゲート幅あたりのドレイン
電流(以下ID/W と表記する)が200〔μA/μm〕
となるときの面積比RSは、強誘電体膜の材料がBIT
ではRS=2、SBTではRS=4、PLTではRS=1
3である。Further, looking at the difference between the semiconductor elements having the respective ferroelectric materials in FIG. 9, it can be seen that the drain current can be obtained with a smaller R S for the semiconductor element using the material having a smaller remanent polarization. For example, the drain current per unit gate width (hereinafter referred to as I D / W) is 200 [μA / μm]
The area ratio R S at which
, R S = 2, SBT R S = 4, PLT R S = 1
It is 3.
【0069】これは残留分極が大きい材料ほど、実効比
誘電率εFが電圧などの条件によらず、相対的に高い傾
向を示すことから、先の式6で分母が大きくなり、VF
が小さくなるためである。This is because the material having a larger remanent polarization has a tendency that the effective relative permittivity ε F is relatively high irrespective of the conditions such as voltage. Therefore, the denominator in Equation 6 becomes large and V F becomes large.
Is smaller.
【0070】しかしながら、最も大きいドレイン電流が
得られるRS (すなわちゲート絶縁膜が絶縁破壊する直
前のRS)での最大ドレイン電流の値は、図9に示すよ
うに高い順にPLT、BIT、SBTの順であり、この
残留分極の順にならないことを本発明者らは見いだし
た。このことは、分極が小さい強誘電体を用いる方がM
FMIS動作には有利、という曖昧な従来の理解とは全
く異なる結果を示すものである。However, the maximum drain current values at R S (that is, R S just before the dielectric breakdown of the gate insulating film) at which the largest drain current is obtained are, as shown in FIG. 9, PLT, BIT, and SBT in descending order. The present inventors found that the order of the remanent polarization was not the order of the remanent polarization. This means that it is M
The results are quite different from the vague conventional understanding that they are advantageous for FMIS operation.
【0071】このようなドレイン電流の確保のしやすさ
に関して本発明者らが見いだした指針について以下、説
明する。The guidelines found by the present inventors regarding the ease of securing such a drain current will be described below.
【0072】保持点において、強誘電体の残留分極によ
り中間電極に誘起される電荷量をQ Hとすると、基板を
接地した状況で保持点においてキャパシタMIS(ある
いはMISトランジスタTr)に印加される電圧VIHは
次の式で表すことができる。At the holding point, the remanent polarization of the ferroelectric substance causes
Q is the amount of charge induced in the intermediate electrode. HThen the substrate
Capacitor MIS (yes
Or the voltage V applied to the MIS transistor Tr)IHIs
It can be expressed by the following formula.
【0073】
VIH=QH/CI (8)
上の式(8)から、MISトランジスタTrのサイズ
(すなわち、キャパシタMISのサイズ)を決定する
と、CI は分配電圧に応じた範囲内で変化するものの、
VIHを大きく支配するのはQH の値であることが理解さ
れる。V IH = Q H / C I (8) When the size of the MIS transistor Tr (that is, the size of the capacitor MIS) is determined from the above equation (8), C I is within the range according to the distribution voltage. Although it changes,
It is understood that it is the value of Q H that dominates V IH .
【0074】図12は、本実施形態の半導体素子と同様
の構成を取り、SBT,BIT,PLTのそれぞれから
なる強誘電体膜を有するMFMIS型半導体素子におい
て、最大のドレイン電流が得られる場合のキャパシタM
ISへの分配電圧と中間電極に誘起された電荷量との相
関を示す図である。なお、同図には最大のIDが得られ
たときのRSも同時に示している。FIG. 12 shows a case where the maximum drain current is obtained in the MFMIS type semiconductor element having the same structure as the semiconductor element of the present embodiment and having the ferroelectric film made of SBT, BIT and PLT, respectively. Capacitor M
It is a figure which shows the correlation of the distribution voltage to IS, and the electric charge amount induced by the intermediate electrode. The figure also shows R S when the maximum I D was obtained.
【0075】この図12から、最大のVF値はほぼ同じ
であることが分かるが、これは、VIがMIS部の絶縁
破壊電圧で規定されるためである。例えば、ここで検討
する半導体素子の場合、ゲート絶縁膜に印加しうる最大
電圧は若干の安全率を見込んで1.8〔V〕としてい
る。すなわち、ゲート絶縁膜の膜厚は3nmとしている
ので、ゲート絶縁膜への最大電界強度EOXは6〔MV/
cm〕であるとしている。It can be seen from FIG. 12 that the maximum V F values are almost the same, but this is because V I is defined by the dielectric breakdown voltage of the MIS portion. For example, in the case of the semiconductor element studied here, the maximum voltage that can be applied to the gate insulating film is set to 1.8 [V] in consideration of some safety factor. That is, since the thickness of the gate insulating film is 3 nm, the maximum electric field strength E ox to the gate insulating film is 6 [MV /
cm].
【0076】本測定では、半導体素子にVGとして最大
5.4〔V〕を印加しているが、VIの最大値が1.8
〔V〕であるため、図12に示す強誘電体膜への分配電
圧VFは最大でほぼ3.6〔V〕前後の値となってい
る。In this measurement, a maximum of 5.4 [V] is applied to the semiconductor element as V G , but the maximum value of V I is 1.8.
Since it is [V], the distribution voltage V F to the ferroelectric film shown in FIG. 12 has a maximum value of about 3.6 [V].
【0077】また、図12から、強誘電体膜への分配電
圧VFが0〔V〕付近のとき、中間電極誘起電荷量は、
大きい順にPLT、BIT、SBTの順になっているこ
とが分かる。これは、先に図9で示した、最大ドレイン
電流値の大きさの順番と同じであり、式(8)で説明さ
れるように、中間電極への誘起電荷量がドレイン電流の
大きさを強く支配していることが確認される。Further, from FIG. 12, when the distribution voltage V F to the ferroelectric film is around 0 [V], the intermediate electrode induced charge amount is
It can be seen that the order is PLT, BIT, and SBT in descending order. This is the same as the order of the magnitude of the maximum drain current value shown in FIG. 9, and the amount of the induced charge to the intermediate electrode determines the magnitude of the drain current as described in equation (8). It is confirmed that they have strong control.
【0078】ここで、保持点での強誘電体膜の分極値を
PHとすると、次の式が成立する。Here, when the polarization value of the ferroelectric film at the holding point is P H , the following equation holds.
【0079】
QH=PH×SF (9)
ここで、式(1)よりキャパシタMFMの面積SFは、
SF=SI/RSであり、且つ図6の説明で述べたようにM
ISトランジスタTr(キャパシタMIS)の面積SI
は、SI=L・Wであるので、式(9)は次のように変
形できる。Q H = P H × S F (9) Here, from the formula (1), the area S F of the capacitor MFM is
S F = S I / R S and M as described in the description of FIG.
Area S I of IS transistor Tr (capacitor MIS)
Since S I = L · W, equation (9) can be modified as follows.
【0080】
QH=PH×(L・W/RS) (10)
ここで、オン抵抗性能指数αをα=PH/RSで定義する
と
QH=α・(L・W) (11)
上式(11)より電界効果型トランジスタのサイズが一
定であるとすると、保持点において中間電極に誘起され
る電荷量QHはオン抵抗性能指数αに比例する、という
相関関係にあることが分かる。さらに式(8)より、基
板を接地した状況で保持点においてキャパシタMISに
印加される電圧VIHもオン抵抗性能指数αに比例するこ
ととなる。Q H = P H × (L · W / R S ) (10) Here, when the on-resistance performance index α is defined as α = P H / R S , Q H = α · (L · W) ( 11) According to the above equation (11), if the size of the field-effect transistor is constant, there is a correlation that the amount of charge Q H induced in the intermediate electrode at the holding point is proportional to the on-resistance performance index α. I understand. Further, from the equation (8), the voltage V IH applied to the capacitor MIS at the holding point in the state where the substrate is grounded is also proportional to the on-resistance performance index α.
【0081】図13は、図12で測定したものと同じ各
MFMIS型半導体素子において、分極/RSとキャパ
シタMFMに分配される電圧との関係を示す図である。
同図では、横軸を強誘電体膜(あるいはキャパシタMF
M)への分配電圧、縦軸を強誘電体の分極をRSで除し
た値(P/RS)として図示している。同図から、VFが
0〔V〕付近のときのP/RS値は、大きい順からPL
T、BIT、SBTとなっており、これは、最大のドレ
イン電流値が大きい順番と同じである。FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the polarization / R S and the voltage distributed to the capacitor MFM in each of the same MFMIS type semiconductor elements measured in FIG.
In the figure, the horizontal axis represents the ferroelectric film (or the capacitor MF).
The distribution voltage to M) and the vertical axis are values (P / R S ) obtained by dividing the polarization of the ferroelectric substance by R S. From the figure, the P / R S values when V F is around 0 [V] are PL
T, BIT, and SBT, which are the same as the order in which the maximum drain current value is large.
【0082】なお、厳密には、これらのMFMIS型半
導体素子に印加する駆動電圧VGを0〔V〕にしたとき
には、VFは0〔V〕にはならず、式(8)で表される
電圧分だけマイナスの電圧が印加された状態となる。Strictly speaking, when the drive voltage V G applied to these MFMIS type semiconductor elements is set to 0 [V], V F does not become 0 [V] and is expressed by the equation (8). The negative voltage is applied by the amount of the voltage.
【0083】なお、図13では、保持点でとりうる電圧
範囲を保持点領域として示しているが、RSをがどのよ
うな値をとっても、強誘電体膜に分配される電圧はこの
範囲内に収まる。これは、負の電圧が大きすぎるとゲー
ト絶縁膜の絶縁破壊強度を超え、またヒステリシスが反
時計回りであるため0〔V〕以上となることはないから
である。上述の保持点領域は、この検討に用いられるM
FMIS型半導体素子では、−1.8〔V〕より大きく
0〔V〕より小さい領域となる。しかしながら、この保
持時のVFの値は、強誘電体材料のヒステリシスの形状
や、面積比RSなどにより変動するため、予めこの値を
算出することは不可能である。In FIG. 13, the voltage range that can be taken at the holding point is shown as the holding point region, but whatever value R S takes, the voltage distributed to the ferroelectric film is within this range. Fits in. This is because if the negative voltage is too large, the dielectric breakdown strength of the gate insulating film will be exceeded, and since the hysteresis is counterclockwise, it will not exceed 0 [V]. The above-mentioned holding point region is the M used in this study.
In the FMIS type semiconductor element, the area is larger than -1.8 [V] and smaller than 0 [V]. However, since the value of V F at the time of holding varies depending on the shape of the hysteresis of the ferroelectric material, the area ratio R S, and the like, it is impossible to calculate this value in advance.
【0084】一方、再度図13に着目すると、VFが取
りうる電圧範囲では、VF=0〔V〕でのP/RS値と、
例えば VF=−1.8〔V〕でのP/RS値との相対関
係は、それぞれの材料間で、値は変化するもののほぼ同
様の傾向を示すことが理解される。[0084] On the other hand, paying attention to FIG. 13 again, in the voltage range V F can take, and P / R S value at V F = 0 [V],
For example, it is understood that the relative relationship with the P / RS value at V F = -1.8 [V] shows almost the same tendency although the value changes between the respective materials.
【0085】ただし、 抗電圧をVCとすると、保持時に
は、VFの値が−VC<VF<0の範囲でなければ、分極
値が0となり電位が保持されなくなる。このため、図1
3に示すようなヒステリシス特性を持つ場合には、VF
が−1〔V〕程度であることが好ましい。However, assuming that the coercive voltage is V C , at the time of holding, unless the value of V F is in the range of −V C <V F <0, the polarization value becomes 0 and the potential cannot be held. For this reason,
If it has a hysteresis characteristic as shown in Fig. 3, V F
Is preferably about -1 [V].
【0086】以上の検討から、強誘電体キャパシタ単体
での残留分極値をPrとし、準オン抵抗性能指数βをβ
=Pr/RS で定義するとき、βはαとほぼ同様にMF
MIS型半導体素子の保持時オン抵抗の低さを示す指針
として極めて有用であるといえる。残留分極値Prは、
強誘電体キャパシタのヒステリシスによりその値を測定
可能であるので、保持時のオン抵抗が小さい半導体素子
の設計を行なうことができる。From the above examination, the residual polarization value of the ferroelectric capacitor alone is Pr, and the quasi-on resistance performance index β is β.
= Pr / R S , β is almost the same as α
It can be said that the MIS type semiconductor element is extremely useful as a guideline for showing a low on-state resistance during holding. The remnant polarization value Pr is
Since the value can be measured by the hysteresis of the ferroelectric capacitor, it is possible to design a semiconductor element having a small ON resistance during holding.
【0087】図14は、準オン抵抗性能指数βとMFM
IS型半導体素子の特性との相関を示す図である。ここ
で用いられるMFMIS型半導体素子のMISトランジ
スタTrでは、キャパシタMFMに接続されているた
め、単独で駆動するときに比べて得られるドレイン電流
が小さくなる。そのため、MISトランジスタTrを単
独で駆動するときと同等のドレイン電流を得るためには
ゲート幅を拡大する必要がある。その際、ここで用いら
れるMISトランジスタTrとゲート幅以外の構造が同
じ単独のMISトランジスタを想定し、このトランジス
タと電流駆動力が等しくなるようにMISトランジスタ
Trのゲート幅WFを拡大するとき、単独のMISトラ
ンジスタのゲート幅Wmosの何倍にするかの設計パラ
メータとしてRW(=WF/Wmos)を定義する。な
お、ここで電流駆動力とは、ゲート電極に印加される電
圧に対するドレイン電流の大きさをいう。FIG. 14 shows the quasi-ON resistance figure of merit β and MFM.
It is a figure which shows the correlation with the characteristic of an IS type semiconductor element. Since the MIS transistor Tr of the MFMIS type semiconductor element used here is connected to the capacitor MFM, the drain current obtained becomes smaller than that obtained when it is driven alone. Therefore, in order to obtain a drain current equivalent to that when the MIS transistor Tr is driven alone, it is necessary to increase the gate width. At that time, assuming a single MIS transistor having the same structure as the MIS transistor Tr except for the gate width, when enlarging the gate width W F of the MIS transistor Tr so that the current driving force becomes equal to this transistor, defining the R W (= W F / Wmos ) as one of the design parameters for many times the gate width Wmos of a single MIS transistor. Note that the current driving force here means the magnitude of the drain current with respect to the voltage applied to the gate electrode.
【0088】図14では、横軸は準オン抵抗性能指数β
で、縦軸はRWの逆数としている。同図から、RWが1に
近づくほどWFはWmosに近づき、MFMISセルの
占有面積は小さくなり、逆にRWが大きくなるほどセル
の占有面積は大きくなる。In FIG. 14, the horizontal axis represents the quasi-ON resistance performance index β.
The vertical axis is the reciprocal of R W. From the figure, W F as R W approaches 1 approaches Wmos, the area occupied by the MFMIS cell decreases, the area occupied by the cell in the reverse as R W increases increases.
【0089】なお、図14では、図13などで示した三
種の強誘電体材料のそれぞれについて、互いに異なるP
−V特性を有するキャパシタMFMを備えた半導体素子
の測定結果を全てプロットしている。ここで、例えば強
誘電体膜の成膜温度を低下させることで残留分極を小さ
くしたり、逆に成膜後に例えば700℃の酸素雰囲気中
で熱処理することで結晶性を向上し、最大分極PMAXと
残留分極Prとの差を小さくするなど、強誘電体膜の成
膜条件や熱処理方法を変化させることで、互いに異なる
P−V特性を有するキャパシタMFMを備えた多数の半
導体素子を作製した。It should be noted that in FIG. 14, for each of the three types of ferroelectric materials shown in FIG.
All the measurement results of the semiconductor device including the capacitor MFM having the −V characteristic are plotted. Here, for example, the residual polarization is reduced by lowering the film formation temperature of the ferroelectric film, or conversely, the crystallinity is improved by heat treatment in an oxygen atmosphere of, for example, 700 ° C. after the film formation, and the maximum polarization P By changing the film forming conditions of the ferroelectric film and the heat treatment method such as reducing the difference between MAX and the remanent polarization Pr, a large number of semiconductor devices having capacitors MFM having different PV characteristics were manufactured. .
【0090】オン抵抗性能指数αを用いると、1/RW
との相関プロットはほぼ完全に直線上に乗ることが判明
しているが(図示せず)、図14から、準オン抵抗性能
指数βを用いても、若干のバラツキが見られるものの、
1/RWと良好な相関が見られることが分かる。また、
準オン抵抗性能指数βが高いほど1/RWが大きくなっ
て1に近づき、面積的に有利なMFMIS型半導体素子
が得られることも読み取れる。このことは非常に重要な
知見であり、MFMIS型半導体素子を構成する上での
強誘電体材料の優劣は、単なるP−V特性ではなく、P
/RS−V特性により評価することで判断できることが
明らかとなった。[0090] The use of the on-resistance performance index α, 1 / R W
It has been found that the correlation plot with and is almost completely on a straight line (not shown), but from FIG. 14, there is some variation even if the quasi-on resistance figure of merit β is used,
It can be seen that 1 / R W and good correlation is observed. Also,
The higher the level on-resistance performance index beta 1 / R W approaches 1 increases, also read the area favorable MFMIS type semiconductor device can be obtained. This is a very important finding, and the superiority or inferiority of the ferroelectric material in constructing the MFMIS type semiconductor element is not simply the P-V characteristic but the P-V characteristic.
It has been clarified that the judgment can be made by evaluating the / RS- V characteristic.
【0091】また、図14に示す測定結果から、ある準
オン抵抗性能指数βの値に対し、1/RWの値を次式の範
囲に設定することで、MISトランジスタ単独の場合と
同等のドレイン電流が得られる。[0091] Further, from the measurement results shown in FIG. 14, there to the value of the quasi on-resistance performance index beta, by setting the value of 1 / R W in the range of the following equation, equivalent to the case of the MIS transistor alone The drain current can be obtained.
【0092】
0.25β−0.6≦1/RW≦0.25β−0.25 (12)
この指針は、MFMIS型半導体素子とその周辺回路と
の整合を考えるとき、極めて有効な設計指針である。0.25β-0.6 ≦ 1 / R W ≦ 0.25β−0.25 (12) This guideline is a very effective design guideline when considering the matching between the MFMIS type semiconductor element and its peripheral circuit. Is.
【0093】なお、上述のようにRWが大きいほどMF
MIS型半導体素子のゲート幅は大きくなり、セルの専
有面積の点で不利となる。このため1/RWは小さいほ
ど不利である。例えば、MFMIS型半導体素子のゲー
ト幅を単独のMISトランジスタのゲート幅の10倍よ
り小さく、すなわち、1/RWが0.1以上であるよう
にするには、これを満たす条件として図14から、少な
くとも準オン抵抗性能指数βがβ=Pr/RS≧1〔μC
/cm2〕であるように、強誘電体膜の形成条件が決定さ
れる。As described above, the larger the R W, the MF
The gate width of the MIS type semiconductor element becomes large, which is disadvantageous in terms of the area occupied by the cell. Thus 1 / R W is smaller disadvantageous. For example, less than 10 times the gate width of a single MIS transistor the gate width of the MFMIS semiconductor device, that is, 1 / R W is to be a 0.1 or more, from 14 as a condition for satisfying this , At least the quasi-ON resistance performance index β is β = Pr / R S ≧ 1 [μC
/ cm 2 ], the conditions for forming the ferroelectric film are determined.
【0094】このように、準オン抵抗性能指数βの値を
得る上で、最も大きいドレイン電流が得られるRSの値
(以下RSCと表記)を知ることが極めて重要である。発
明者らの検討の結果、このRSCはキャパシタMFMのP
−V測定により得られる最大分極PMAXなどを用いて表
せることが明らかになった。その検討の手順を以下に示
す。As described above, in obtaining the value of the quasi-ON resistance performance index β, it is extremely important to know the value of R S (hereinafter referred to as R SC ) at which the largest drain current is obtained. As a result of the study by the inventors, this R SC is P of the capacitor MFM.
It has been clarified that the maximum polarization P MAX obtained by −V measurement can be used. The examination procedure is shown below.
【0095】本実施形態の半導体素子と同様の構成を持
つMFMIS型半導体素子の駆動最大電圧をVOPとし、
ゲート絶縁膜の膜厚をtI〔m〕とするとき、ゲート絶
縁膜に安全率を見込んで許容できる電界強度(許容電界
強度)をEI(MAX)〔V/m〕とすると、ゲート絶縁膜に
許容できる印加電圧VI(MAX)は次の式で表される。The maximum driving voltage of the MFMIS type semiconductor device having the same structure as the semiconductor device of this embodiment is V OP ,
If the thickness of the gate insulating film is t I [m], and the electric field strength that can be tolerated (allowable electric field strength) is E I (MAX) [V / m] considering the safety factor of the gate insulating film, the gate insulation The applied voltage V I (MAX) allowable for the film is expressed by the following equation.
【0096】
VI(MAX)=EI(MAX)・tI (13)
このとき、本素子を駆動する際にキャパシタMFMに分
配される最大電圧VF( MAX)は、次の式で表される。V I (MAX) = E I (MAX) · t I (13) At this time, the maximum voltage V F ( MAX) distributed to the capacitor MFM when driving this element is expressed by the following equation. To be done.
【0097】
VF(MAX)=VOP−VI(MAX) (14)
一方、VOPを印加している時点で中間電極に誘起される
電荷量をQMAXとすると、このQMAXはVI(MAX),CI,
VF(MAX),CFと次の関係がある。V F (MAX) = V OP −V I (MAX) (14) On the other hand, if the amount of charge induced in the intermediate electrode at the time of applying V OP is Q MAX , then this Q MAX is V I (MAX) , C I ,
It has the following relationship with V F (MAX) and C F.
【0098】
QMAX=VI(MAX)・CI=VF(MAX)・CF (15)
その一方、VOPを印加している時点での強誘電体膜の分
極PMAXは、QMAXと次の関係にある。Q MAX = V I (MAX) · C I = V F (MAX) · C F (15) On the other hand, the polarization P MAX of the ferroelectric film at the time of applying V OP is Q It has the following relationship with MAX .
【0099】
QMAX=PMAX・SF (16)
なお、VOPを印加した時の最大分極PMAXは、印加電圧
が±VF(MAX)の範囲でキャパシタMFMの分極−電圧の
ヒステリシス特性を実際に測定することで得られる値で
ある。Q MAX = P MAX · S F (16) The maximum polarization P MAX when V OP is applied is the polarization-voltage hysteresis characteristic of the capacitor MFM in the range of applied voltage ± V F (MAX). Is a value obtained by actually measuring.
【0100】以上の式(13)〜(16)と、式(1)
及び式(5)との関係をまとめると、次の関係が導かれ
る。The above equations (13) to (16) and the equation (1)
And the relation with the equation (5) are summarized, the following relation is derived.
【0101】
RSC=PMAX/(εO・εI・EI(MAX)) (17)
式(17)により、ゲート絶縁膜に許容できる電界強度
を設定することで、ゲート絶縁膜材料の比誘電率εIを
用いて極めて簡便に最適なRSであるRSCを決定するこ
とができる。なお、式(17)中の最大分極PMAXは上
述のように式(13)、式(14)を用いて算出される
VF(MAX)を用い、キャパシタMFMのP−Vヒステリシ
スを測定することで得た値である。R SC = P MAX / (ε O · ε I · E I (MAX) ) (17) By setting the electric field strength allowable in the gate insulating film by the formula (17), Using the relative permittivity ε I , the optimum R S , R SC , can be determined very easily. It should be noted that the maximum polarization P MAX in the equation (17) is obtained by using V F (MAX) calculated using the equations (13) and (14) as described above, and the P-V hysteresis of the capacitor MFM is measured. This is the value obtained.
【0102】図15は、MFMIS型半導体素子におい
て、素子にかかる最大の電界強度E OX(MAX)をそれぞれ
2、4、6、8〔MV/cm〕としたときの最適な面積
比RSの値を式(17)から求めてこれを示した図であ
る。ここで、本素子にかかる駆動最大電圧VOPは、VOP
=5.4〔V〕、ゲート絶縁膜材料がSiO2(εI=
3.9)であり、ゲート絶縁膜の膜厚は3nmとした。
この場合、キャパシタMFMにかかる最大分配電圧V
F(MAX)の値は、式(14)によりそれぞれ4.8、4.
2、3.6、3.0〔V〕としてキャパシタMFMのP
−V測定を行なうことで、キャパシタMFMの特性に応
じて最適な面積比RSを決定することができる。FIG. 15 shows an MFMIS type semiconductor device.
And the maximum electric field strength E applied to the element OX (MAX)Each
Optimal area when 2, 4, 6, 8 [MV / cm]
Ratio RSIt is the figure which showed this by having calculated | required the value of from Formula (17).
It Here, the maximum drive voltage V applied to this elementOPIs VOP
= 5.4 [V], the gate insulating film material is SiO2(ΕI=
3.9), and the thickness of the gate insulating film was 3 nm.
In this case, the maximum distribution voltage V applied to the capacitor MFM
F (MAX)Values of 4.8 and 4.
P of capacitor MFM as 2, 3.6, 3.0 [V]
By measuring -V, the characteristics of the capacitor MFM can be adjusted.
The optimum area ratio RSCan be determined.
【0103】ただし、実際にMFMIS型の半導体素子
を作製する場合には、強誘電体の形成条件のばらつきな
どにより、理論値との誤差が生じる。そのため、駆動電
圧V OPが決まっていて、上述の面積比RSを算出する場
合、誤差が生じても絶縁破壊しないようにキャパシタM
FMにかかる最大分配電圧VF(MAX)を大きめにとってお
いてもよい。経験的に、本実施形態のようなMFMIS
型半導体素子におけるVF(MAX)の誤差は、最大でも0.
5〔V〕程度であることが分かっているため、VF(MAX)
の絶対値を、{VOP−(tI×EI(MAX))}以上{VOP
−(tI×EI(MA X))+0.5}以下の範囲で設定すれ
ばよい。あとは、上述の手順により、最適な面積比RS
を決定できる。However, the actual MFMIS type semiconductor device
When manufacturing the
Depending on what, an error from the theoretical value occurs. Therefore, drive power
Pressure V OPAnd the area ratio R mentioned aboveSWhere to calculate
If there is an error, the capacitor M
Maximum distribution voltage V on FMF (MAX)With a large
You may stay. Empirically, MFMIS as in this embodiment
In semiconductor type semiconductor devicesF (MAX)The maximum error is 0.
Since it is known to be about 5 [V], VF (MAX)
The absolute value of {VOP-(TI× EI (MAX))} Above {VOP
-(TI× EI (MA X)) +0.5} or less
Good. After that, the optimum area ratio RS
Can be determined.
【0104】この手法によれば、狭い面積比RSの範囲
でデバイスの最適化を行なうことが可能であり、面積比
RSの最適値を絞り込む困難であった従来の状況と比べ
て半導体素子の構造設計及びデバイス製造を極めて効率
的に行なうことが可能になる。[0104] According to this technique, a narrow area ratio it is possible to optimize the device in the range of R S, the semiconductor device in comparison with which was difficult conventional conditions to narrow down the optimum value of the area ratio R S It becomes possible to perform the structural design and device manufacturing of the above extremely efficiently.
【0105】また、上記の手順以外にも、以下の手順に
より、以上の検討で得られた式から別の情報を引き出す
こともできる。In addition to the above procedure, the following procedure can be used to extract other information from the equation obtained in the above examination.
【0106】例えば、RSの値をデバイス製造の加工性
という観点から、ある範囲、例えば5と設定し、素子の
駆動最大電圧VOP=5.4〔V〕、ゲート絶縁膜材料が
SiO2(εI=3.9)の場合について、ゲート絶縁膜
の膜厚を3nm、素子にかかる最大の電界強度E
OX(MAX)を6〔MV/cm〕と決定する。このとき、最
大分配電圧VF(MAX)の値は3.6〔V〕と算出さ
れるため、この3.6〔V〕のスキャン電圧でキャパシ
タMFMのP−V測定を行なったときに、適切な最大分
極PMAXは、10〔μC/cm2〕と計算される。図7、
図10、図11を参照すると、この値に最も近い最大分
極を持つ強誘電体材料はSBTである。よって、この条
件でMFMIS型半導体素子を駆動するのに最適な強誘
電体材料は、例えばSBTであることが判断できる。For example, from the viewpoint of device manufacturing workability, the value of R S is set to a certain range, for example, 5, the maximum drive voltage V OP of the device is 5.4 [V], and the gate insulating film material is SiO 2. In the case of (ε I = 3.9), the thickness of the gate insulating film is 3 nm, and the maximum electric field strength E applied to the device is
OX (MAX) is determined to be 6 [MV / cm]. At this time, the value of the maximum distribution voltage V F (MAX) is calculated to be 3.6 [V]. Therefore, when the PV of the capacitor MFM is measured with the scan voltage of 3.6 [V], A suitable maximum polarization P MAX is calculated as 10 [μC / cm 2 ]. 7,
Referring to FIGS. 10 and 11, the ferroelectric material having the maximum polarization closest to this value is SBT. Therefore, it can be determined that the optimum ferroelectric material for driving the MFMIS type semiconductor element under this condition is, for example, SBT.
【0107】また、上述の例と同じくRSの値が5と限
定され、且つ駆動電圧に自由度が認められる場合に、駆
動電圧を決定することもできる。この場合、PMAXの値
は式(17)より
PMAX=RS・εO・εI・EI(MAX)
で算出される。続いて、強誘電体膜のP−V測定を行な
うことで、最大分極PMA Xが上式で得た値と同じになる
ような半導体素子の駆動電圧VFを決定することができ
る。Further, as in the above example, when the value of R S is limited to 5 and the degree of freedom of the drive voltage is recognized, the drive voltage can be determined. In this case, the value of P MAX is calculated by the equation (17) from P MAX = R S · ε O · ε I · E I (MAX). Subsequently, by performing a P-V measurement of the ferroelectric film, it can be a maximum polarization P MA X determines the driving voltage V F of the semiconductor element such that the same value was obtained by the above equation.
【0108】例えば、ゲート絶縁膜材料がSiO2の場
合について、ゲート絶縁膜を3nm、ゲート絶縁膜にか
かる最大電界強度EI(MAX)を6〔MV/cm〕と設定
し、且つRSを5と決定すると、最大分極PMAXは10.
4〔μC/cm2〕と計算できる。このような特性に適
した材料は例えばSBTであると判断できる。次に、S
BT膜を有するキャパシタのP−V測定を行なうこと
で、この最大分極PMAXが得られるスキャン電圧VFが判
明する。これを最大分配電圧VF(MAX)とし、EI(M AX)か
ら算出されるゲート絶縁膜の許容最大電圧VI(MAX)とを
用い、MFMIS型半導体素子の駆動最大電圧VOPはV
OP=VI(MAX)+VF(MAX)として決定できる。For example, when the gate insulating film material is SiO 2 , the gate insulating film is set to 3 nm, the maximum electric field intensity E I (MAX) applied to the gate insulating film is set to 6 [MV / cm], and R S is set to 5, the maximum polarization P MAX is 10.
It can be calculated as 4 [μC / cm 2 ]. It can be judged that the material suitable for such characteristics is SBT, for example. Then S
By performing the P-V measurement of the capacitor having the BT film, the scan voltage V F at which this maximum polarization P MAX is obtained is found. Let this be the maximum distribution voltage V F (MAX), and use the maximum allowable voltage V I (MAX) of the gate insulating film calculated from E I (M AX) to determine the maximum drive voltage V OP of the MFMIS type semiconductor device as V
It can be determined as OP = VI (MAX) + VF (MAX) .
【0109】これらの例に限らず、式(13)〜(1
7)に含まれる、面積比RS、素子の駆動電圧VOP、最
大分極PMAX、ゲート絶縁膜の膜厚tI、ゲート絶縁膜材
料の比誘電率εIなどの設計スペックのうち、所望の1
つを除く設計スペックを固定することにより、優れた特
性の半導体素子を得るための所望の設計スペックを求め
ることができる。Not limited to these examples, equations (13) to (1
Of the design specifications such as the area ratio R S , the element driving voltage V OP , the maximum polarization P MAX , the gate insulating film thickness t I , and the relative dielectric constant ε I of the gate insulating film material included in 7), Of 1
By fixing the design specifications other than the above, desired design specifications for obtaining a semiconductor element having excellent characteristics can be obtained.
【0110】一方、先に図13を用いて説明したよう
に、本素子の駆動力はPr/RSと強い相関がある。こ
のことと式(17)とから、Pr/PMAXの値が大きい
強誘電体材料であるほど本素子の駆動力が向上すること
が明らかになった。On the other hand, as described earlier with reference to FIG. 13, the driving force of this element has a strong correlation with Pr / R S. From this fact and the equation (17), it became clear that the larger the value of Pr / P MAX of the ferroelectric material is, the higher the driving force of this element is.
【0111】図16は、本MFMIS型半導体素子にお
いて、強誘電体膜の材料としてPLTを用いた場合の強
誘電体膜への印加電圧とPr/PMAXとの関係を示す図
である。また、同図には、強誘電体膜の膜厚を200n
m、400nm、800nmと変化させたときの影響も
示す。なお、この図に必要なデータは、スキャン電圧を
変化させて強誘電体キャパシタのP−V測定を行なうこ
とで得られる。FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the applied voltage to the ferroelectric film and Pr / P MAX when PLT is used as the material of the ferroelectric film in the present MFMIS type semiconductor device. Further, in the figure, the film thickness of the ferroelectric film is 200 n.
The influence when changing to m, 400 nm, and 800 nm is also shown. The data necessary for this figure can be obtained by changing the scan voltage and performing PV measurement of the ferroelectric capacitor.
【0112】この図16から、強誘電体膜への印加電圧
が大きいほどPr/PMAXが高い値になるとは限らない
ことが見いだされた。すなわち、強誘電体への印加電圧
が最適な点が存在していて、それ以上の電圧を印加して
も本素子の駆動力は向上しないばかりか、むしろ低下し
てしまう。このことは、単なる駆動電圧の低電圧化のみ
ならず、デバイスの駆動に際し無駄な電力を消費させな
いという観点からも極めて重要な知見である。さらに、
この最適な印加電圧は、強誘電体膜の膜厚と相関があ
り、強誘電体膜の膜厚が薄いほど低い電圧でピークを示
すことが分かった。From this FIG. 16, it was found that the larger the voltage applied to the ferroelectric film, the higher the value of Pr / P MAX does not always become. That is, there is a point where the voltage applied to the ferroelectric substance is optimum, and even if a voltage higher than that is applied, the driving force of the present device is not improved, but is rather decreased. This is an extremely important finding from the viewpoint of not only simply lowering the driving voltage but also not wasting power when driving the device. further,
It was found that this optimum applied voltage has a correlation with the film thickness of the ferroelectric film, and shows a peak at a lower voltage as the film thickness of the ferroelectric film becomes thinner.
【0113】以上の知見から、ある強誘電体膜の膜厚に
対して、ほぼ最大のPr/PMAXの値が得られ、且つで
きるだけ低電圧であるような強誘電体膜への分配電圧が
決定できる。例えば、強誘電体膜が厚さ400nmのP
LT膜であれば、4〔V〕程度の分配電圧が、低電圧側
で且つ安定にPr/PMAXの値を高く設定できる電圧で
ある。From the above findings, the distribution voltage to the ferroelectric film is such that the maximum value of Pr / P MAX can be obtained for a certain thickness of the ferroelectric film and the voltage is as low as possible. I can decide. For example, the ferroelectric film is made of P with a thickness of 400 nm.
In the case of the LT film, a distribution voltage of about 4 [V] is a voltage at which the value of Pr / P MAX can be stably set high on the low voltage side.
【0114】このような、強誘電体の分極の効率化とい
う観点から、本素子の最適化を行なう場合の設計手順を
以下に説明する。From the viewpoint of improving the efficiency of polarization of the ferroelectric substance, the design procedure for optimizing the present device will be described below.
【0115】ゲート絶縁膜材料としてSiO2(εI=
3.9)を用い、その膜厚を3nm、EOX(MAX)を6
〔MV/cm〕と決定すると、VI(MAX)の値は1.8
〔V〕と算出される。As a gate insulating film material, SiO 2 (ε I =
3.9), the film thickness is 3 nm, E OX (MAX) is 6
When determined as [MV / cm], the value of V I (MAX) is 1.8.
[V] is calculated.
【0116】上述のように、強誘電体膜として厚さ40
0nmのPLTを用いた場合、最適な分配電圧は約4
〔V〕である。As described above, the thickness of the ferroelectric film is 40
When using 0 nm PLT, the optimum distribution voltage is about 4
[V].
【0117】すなわち、この素子では、駆動電圧V
OPを、VOP=1.8+4.0=5.8〔V〕とすること
で、少ない電力で高い駆動力を得られるようになる。That is, in this element, the drive voltage V
By setting OP to V OP = 1.8 + 4.0 = 5.8 [V], a high driving force can be obtained with a small amount of electric power.
【0118】このときに、最適な面積比RSは、V
F(MAX)を4〔V〕としてP−V測定を行なうことで式
(17)に従い算出できる。例えば、本実施形態の半導
体素子において、厚さ400nmの強誘電体膜の材料と
して、SBTに代えてPLTを用いた場合、PMAXが2
2〔μC/cm2〕と測定されたので、最適なRSは1
0.6となる。At this time, the optimum area ratio R S is V
It can be calculated according to the equation (17) by performing PV measurement with F (MAX) set to 4 [V]. For example, in the semiconductor element of this embodiment, when PLT is used instead of SBT as the material of the ferroelectric film having a thickness of 400 nm, P MAX is 2
Since the measured value is 2 [μC / cm 2 ], the optimum R S is 1
It becomes 0.6.
【0119】以上、本実施形態の半導体素子の設計方法
によれば、強誘電体膜のヒステリシスを測定し、測定さ
れた最大分極PMAXと残留分極Prの値からトランジス
タTrとキャパシタMFMとの最適な面積比RSCの値を
得ることができる。さらに、保持時におけるトランジス
タTrからのドレイン電流を算出可能とすることで、従
来非常に曖昧であったトランジスタTrとキャパシタM
FMとの面積比決定の精度を強誘電体キャパシタのヒス
テリシス測定を行なうだけで、飛躍的に向上させること
ができる。As described above, according to the semiconductor element designing method of this embodiment, the hysteresis of the ferroelectric film is measured, and the optimum value of the transistor Tr and the capacitor MFM is determined from the measured values of the maximum polarization P MAX and the residual polarization Pr. It is possible to obtain a large area ratio R SC . Furthermore, by making it possible to calculate the drain current from the transistor Tr at the time of holding, the transistor Tr and the capacitor M, which were very vague in the past, were
The accuracy of determining the area ratio with FM can be dramatically improved only by measuring the hysteresis of the ferroelectric capacitor.
【0120】また、本実施形態の半導体素子の設計方法
を用いることで、ゲート絶縁膜が絶縁破壊を起こさない
範囲で、できるだけ大きいドレイン電流を得ることがで
きるMFMIS型半導体素子についての設計指針が得ら
れ、素子の設計効率を大幅に向上させられる。加えて、
この設計方法により、半導体素子の設計の際に、最適な
強誘電体材料の特性さらには必要な評価項目が明らかに
なる。つまり、本実施形態の半導体素子の設計方法は、
強誘電体材料の選択あるいは膜形成プロセスにおいて非
常に有効な特性判断基準を提供するものである。Further, by using the method for designing a semiconductor element of this embodiment, a design guideline for an MFMIS type semiconductor element capable of obtaining as large a drain current as possible in a range where the gate insulating film does not cause dielectric breakdown is obtained. Therefore, the design efficiency of the device can be significantly improved. in addition,
This design method makes it possible to clarify optimum characteristics of the ferroelectric material and necessary evaluation items when designing the semiconductor device. That is, the semiconductor element designing method of the present embodiment is
It provides a very effective characterization criterion in the selection of the ferroelectric material or the film forming process.
【0121】また、本実施形態の半導体素子は、上述の
設計方法により、キャパシタMFM1とトランジスタT
r1のMISキャパシタ部分との面積比と、強誘電体膜
のP−V特性とが最適化された条件で組み合わされた素
子であり、ゲート絶縁膜の耐圧範囲内で最も高い保持ド
レイン電流が得られるように設計されている。このよう
な半導体素子は、論理回路の切替用の不揮発スイッチと
してFPGAなどの用途に用いられる他、将来的にはニ
ューロン素子のシナプス機能を実現するための抵抗可変
素子として用いられることが期待されている。Further, the semiconductor device of this embodiment has the capacitor MFM1 and the transistor T by the above-described design method.
This is an element in which the area ratio of r1 to the MIS capacitor portion and the PV characteristics of the ferroelectric film are combined under optimized conditions, and the highest holding drain current is obtained within the breakdown voltage range of the gate insulating film. Is designed to be Such a semiconductor element is used as a non-volatile switch for switching logic circuits in applications such as FPGA, and is expected to be used as a resistance variable element for realizing the synapse function of a neuron element in the future. There is.
【0122】なお、本実施形態の半導体素子の強誘電体
膜の材料としては、例に挙げたSBT、PLT、BIT
に限らず、分極する機能を有する強誘電体であれば用い
ることができる。The materials of the ferroelectric film of the semiconductor element of this embodiment are SBT, PLT, BIT given as examples.
Not limited to this, any ferroelectric substance having a polarization function can be used.
【0123】また、本実施形態の半導体素子は、最大分
極の大きさとドレイン電流の大きさとの両立が図られて
いるので、読み出し時のオン/オフの差が大きいメモリ
素子としても用いることができる。Further, the semiconductor element of this embodiment is compatible with both the maximum polarization magnitude and the drain current magnitude, and therefore can be used as a memory element having a large on / off difference during reading. .
【0124】また、本実施形態の半導体素子に用いられ
るトランジスタはMOSトランジスタ、MISトランジ
スタの他にも、ゲート電極によってドレイン電流が制御
される構造の電界効果トランジスタであればよい。The transistor used in the semiconductor device of this embodiment may be a field effect transistor having a structure in which the drain current is controlled by the gate electrode, in addition to the MOS transistor and the MIS transistor.
【0125】また、本実施形態の半導体素子に含まれる
電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の材質はSiO2
に限らず、例えばシリコン窒化膜のような絶縁体あるい
は誘電体であってもよい。The material of the gate insulating film of the field effect transistor included in the semiconductor device of this embodiment is SiO 2.
However, it may be an insulator such as a silicon nitride film or a dielectric.
【0126】なお、本実施形態の半導体素子の設計手順
として、ゲート絶縁膜の膜厚tI、ゲート絶縁膜材料の
比誘電率εIなどのスペックを規定してから面積比RSま
たは最大分極PMAXを最後に求める例を挙げたが、例え
ば、面積比RSや最大分極PMA Xを先に規定するなど、別
のスペックから順に設計条件を規定しても、式(12)
〜(17)のいずれかを利用して容易に半導体素子を設
計することができる。As the design procedure of the semiconductor device of this embodiment, the area ratio R S or the maximum polarization is defined after the specifications such as the film thickness t I of the gate insulating film and the relative dielectric constant ε I of the gate insulating film material are defined. Although an example for obtaining the P MAX Finally, for example, defines the area ratio R S and the maximum polarization P MA X above, be defined design conditions from another specification sequentially formula (12)
A semiconductor element can be easily designed by utilizing any one of (17) to (17).
【0127】また、本明細書中で説明した数式は、MF
MIS型半導体素子の製造条件などで値が変化する場合
にも対応が可能である。例えば、第2の層間絶縁膜を形
成する際のTEOSの成膜過程で発生する水素が強誘電
体特性を変化させる場合がある。このような場合でも、
本実施形態と同様に構造の評価用強誘電体キャパシタを
作成し、その特性を評価することで、本実施形態の設計
方法と同様の手順で素子構造や駆動法の最適化が可能で
ある。このことにより、効率よく半導体素子の設計を行
なうことができる。すなわち、強誘電体の最大分極と残
留分極の2つの特性値からMFMIS型半導体装置の最
適構造を設計するという本発明の概念を用いることによ
り、製造条件の変化がある場合でも、半導体素子を最適
な構成を持つ半導体素子を効率的に設計することができ
る。Further, the mathematical formula described in this specification is MF
It is possible to deal with the case where the value changes due to the manufacturing conditions of the MIS type semiconductor element. For example, hydrogen generated in the process of forming TEOS when forming the second interlayer insulating film may change the ferroelectric characteristics. Even in this case,
By preparing a ferroelectric capacitor for evaluation having a structure similar to that of the present embodiment and evaluating the characteristics thereof, it is possible to optimize the element structure and the driving method in the same procedure as the design method of the present embodiment. As a result, the semiconductor element can be efficiently designed. That is, by using the concept of the present invention to design the optimum structure of the MFMIS type semiconductor device from the two characteristic values of the maximum polarization and the remanent polarization of the ferroelectric substance, the semiconductor element can be optimized even when the manufacturing conditions are changed. A semiconductor device having such a structure can be efficiently designed.
【0128】このようにして、本実施形態の方法により
効率的に設計された半導体素子は、従来の半導体素子と
比べて、例えば、ゲート絶縁膜が絶縁破壊しないように
取る設計マージンを大きく取り過ぎることがないので、
設定された駆動電圧のもとで、最大の駆動力を得ること
ができる。In this way, the semiconductor element efficiently designed by the method of the present embodiment has, for example, an excessively large design margin as compared with the conventional semiconductor element so as to prevent the gate insulating film from dielectric breakdown. Because there is no
The maximum driving force can be obtained under the set driving voltage.
【0129】[0129]
【発明の効果】本発明の半導体素子によれば、強誘電体
キャパシタの残留分極をPrと最大分極をPMAXとする
と、Pr/PMAXの値が大きくなるように、且つ電界効
果型トランジスタのゲート絶縁膜が絶縁破壊を起こさな
いように強誘電体キャパシタと電界効果型トランジスタ
のMISキャパシタ部分との面積比が最適な設計されて
いるので、駆動電圧に対するドレイン電流を大きくする
ことができる。According to the semiconductor device of the present invention, when the residual polarization of the ferroelectric capacitor is Pr and the maximum polarization is P MAX , the value of Pr / P MAX becomes large and the field effect transistor Since the area ratio between the ferroelectric capacitor and the MIS capacitor portion of the field effect transistor is designed optimally so that the gate insulating film does not cause dielectric breakdown, the drain current with respect to the drive voltage can be increased.
【図1】本発明の実施形態に係る半導体素子の上面図で
ある。FIG. 1 is a top view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施形態に係る半導体素子の図1に示
すIII−III線における断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line III-III shown in FIG. 1 of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
【図3】本発明の実施形態に係る半導体素子の図1に示
すIV−IV線における断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line IV-IV shown in FIG. 1 of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention.
【図4】(a)〜(d)は、本発明の実施形態に係る半
導体素子の製造工程を示す断面図である。4A to 4D are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
【図5】本発明の実施形態に係る半導体素子を示す等価
回路図である。FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
【図6】MFMIS型半導体素子のうちMISトランジ
スタTr及びキャパシタMFMを上から見たときの投影
図である。FIG. 6 is a projection view of the MIS transistor Tr and the capacitor MFM of the MFMIS type semiconductor element when viewed from above.
【図7】MFMIS型半導体素子に用いられるキャパシ
タMFMのみの電圧−分極特性(P−V特性)を示す図
である。FIG. 7 is a diagram showing a voltage-polarization characteristic (P-V characteristic) of only a capacitor MFM used in an MFMIS type semiconductor device.
【図8】MFMIS型の半導体素子において、駆動電圧
とドレイン電流の相関を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a correlation between a drive voltage and a drain current in an MFMIS type semiconductor element.
【図9】相異なる強誘電体膜を備えるMFMIS型半導
体素子での、保持点における面積比RSとドレイン電流
との関係を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an area ratio R S at a holding point and a drain current in an MFMIS type semiconductor device provided with different ferroelectric films.
【図10】PLT層を有するキャパシタのP−V特性を
示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a P-V characteristic of a capacitor having a PLT layer.
【図11】BIT層を有するキャパシタのP−V特性を
示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a P-V characteristic of a capacitor having a BIT layer.
【図12】各種の強誘電体膜を有するMFMIS型半導
体素子において、最大のドレイン電流が得られる場合の
キャパシタMISへの分配電圧と中間電極に誘起された
電荷量との相関を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a correlation between a distribution voltage to a capacitor MIS and a charge amount induced in an intermediate electrode when a maximum drain current is obtained in an MFMIS type semiconductor device having various ferroelectric films. .
【図13】各種の強誘電体膜を有するMFMIS型半導
体素子において、分極/RSとキャパシタMFMに分配
される電圧との関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a relationship between polarization / R S and a voltage distributed to a capacitor MFM in an MFMIS type semiconductor device having various ferroelectric films.
【図14】準オン抵抗性能指数βとMFMIS型半導体
素子の特性との相関を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a correlation between a quasi-on resistance figure of merit β and characteristics of an MFMIS type semiconductor device.
【図15】MFMIS型半導体素子において、印加され
る最大の電界強度EOX(MAX)を変化させたときの最適な
面積比RSの値を示した図である。FIG. 15 is a diagram showing an optimum area ratio R S when the maximum applied electric field strength E OX (MAX) is changed in the MFMIS type semiconductor device.
【図16】MFMIS型半導体素子において、強誘電体
膜の材料としてPLTを用いた場合の強誘電体膜への印
加電圧とPr/PMAXとの関係を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the applied voltage to the ferroelectric film and Pr / P MAX when PLT is used as the material of the ferroelectric film in the MFMIS type semiconductor device.
【図17】従来の半導体素子の構造を示す断面図であ
る。FIG. 17 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor device.
【図18】強誘電体キャパシタにおける比誘電率測定結
果を示すグラフである。FIG. 18 is a graph showing the results of measuring the relative permittivity of a ferroelectric capacitor.
1 Si基板 3a ドレイン領域 3b ソース領域 5 素子分離用酸化膜 7 ゲート絶縁膜 9 ゲート電極 10 制御電圧供給部 11 第1の層間絶縁膜 13a、13b、13c プラグ配線 14 中間電極 15a、15b パッド部 16 強誘電体膜 19 上部電極 21 第2の層間絶縁膜 25a、25b、25c 配線 1 Si substrate 3a drain region 3b Source area 5 Element isolation oxide film 7 Gate insulation film 9 Gate electrode 10 Control voltage supply unit 11 First interlayer insulating film 13a, 13b, 13c Plug wiring 14 Intermediate electrode 15a, 15b Pad part 16 Ferroelectric film 19 Upper electrode 21 Second interlayer insulating film 25a, 25b, 25c wiring
フロントページの続き Fターム(参考) 5F083 FR07 GA24 JA15 JA17 JA32 JA35 JA36 JA37 JA38 JA40 MA06 MA16 MA19 PR22 PR33 PR36 5F101 BA62 BB02 BD02 BF01 BH01 BH03 BH09 Continued front page F-term (reference) 5F083 FR07 GA24 JA15 JA17 JA32 JA35 JA36 JA37 JA38 JA40 MA06 MA16 MA19 PR22 PR33 PR36 5F101 BA62 BB02 BD02 BF01 BH01 BH03 BH09
Claims (4)
ート電極と上記基板との間に設けられた絶縁体からなる
ゲート絶縁膜と、上記基板内で上記ゲート電極の両側方
に形成されたソース・ドレイン領域とを有する電界効果
型トランジスタと、 上記制御電圧供給部と上記ゲート電極との間に介設さ
れ、上部電極,下部電極及び上記上部電極−下部電極間
に挟まれた強誘電体膜からなる強誘電体キャパシタとを
有し、情報を保持可能な半導体素子であって、 駆動電圧をVOP〔V〕、上記ゲート絶縁膜の厚さをtI
〔m〕、上記ゲート絶縁膜の設計最大電界強度をE
I(MAX)〔V/m〕とするとき、 駆動時に上記強誘電体キャパシタに印加される分配電圧
VFの最大値の絶対値|VF(MAX)|が、 VOP−(tI×EI(MAX))≦|VF(MAX)|≦VOP−(tI
×EI(MAX))+0.5で算出される範囲の電圧値となる
ように構成されている半導体素子。1. A control voltage supply unit, a substrate, a gate electrode provided above the substrate, a gate insulating film made of an insulator provided between the gate electrode and the substrate, and in the substrate. A field effect transistor having source / drain regions formed on both sides of the gate electrode, and an upper electrode, a lower electrode, and the upper electrode interposed between the control voltage supply unit and the gate electrode. A semiconductor element having a ferroelectric capacitor made of a ferroelectric film sandwiched between lower electrodes and capable of retaining information, wherein a driving voltage is V OP [V], and the thickness of the gate insulating film is T i
[M], the designed maximum electric field strength of the gate insulating film is E
When I (MAX) [V / m], the absolute value | V F (MAX) | of the maximum value of the distribution voltage V F applied to the ferroelectric capacitor at the time of driving is V OP − (t I × E I (MAX) ) ≦ | V F (MAX) | ≦ V OP − (t I
A semiconductor element configured to have a voltage value within a range calculated by × E I (MAX) ) +0.5.
キャパシタの面積をS I〔μm2〕、上記強誘電体キャパ
シタの面積をSF〔μm2〕、上記MISキャパシタと上
記強誘電体キャパシタとの面積比RSをRS=SI/SFと
すると、 上記強誘電体膜の残留分極Pr〔μC/cm2〕と上記
面積比RSとの比Pr/RSが1〔μC/cm2〕以上で
あることを特徴とする半導体素子。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein MIS comprising the substrate, gate insulating film and gate electrode
The area of the capacitor is S I[Μm2], The above-mentioned ferroelectric capacity
Sita area is SF[Μm2], Above the MIS capacitor
Area ratio R with ferroelectric capacitorSRS= SI/ SFWhen
Then, Remanent polarization Pr [μC / cm of the ferroelectric film]2] And above
Area ratio RSRatio of Pr / RSIs 1 [μC / cm2〕Above
A semiconductor device characterized by being present.
おいて、 上記電界効果型トランジスタとゲート幅を除く構成が等
しく、且つ電流駆動力が等しい単独の電界効果型トラン
ジスタを想定し、 上記単独の電界効果型トランジスタのゲート電極のゲー
ト幅方向寸法を上記電界効果型トランジスタのゲート幅
方向の寸法WF〔μm〕より小さいWMOS〔μm〕とした
ときに、 ゲート幅拡大比RWをRW=WF/WMOS、上記強誘電体膜
の残留分極をPr〔μC/cm2〕、上記面積比RSをR
S=SI/SF、β=Pr/RSとすると、 (0.25β−0.6)≦1/RW≦(0.25β−
0.25)の関係が成り立っている半導体素子。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the field effect transistor has the same configuration except the gate width, and the field driving transistor has the same current driving capability. When the dimension of the gate electrode of the field-effect transistor in the gate width direction is set to W MOS [μm] smaller than the dimension of the field-effect transistor in the gate width direction W F [μm], the gate width expansion ratio R W is R W = W F / W MOS , the remanent polarization of the ferroelectric film is Pr [μC / cm 2 ], and the area ratio R S is R
S = S I / S F, when the β = Pr / R S, ( 0.25β-0.6) ≦ 1 / R W ≦ (0.25β-
A semiconductor device satisfying the relationship of (0.25).
の半導体素子において、 上記設計最大電界強度をEI(MAX)〔V/m〕、上記ゲー
ト絶縁膜に上記設定最大電界強度の電界がかかるときに
上記強誘電体膜に誘起される最大分極をPMAX〔μC/
cm2〕、真空の誘電率をεO〔F/m〕、上記強誘電体
膜の比誘電率をεIとするとき、 RS=PMAX/(εO・εI・EI(MAX))の関係が成り立つ
ことを特徴とする半導体素子。4. The semiconductor element according to claim 1, wherein the designed maximum electric field strength is E I (MAX) [V / m], and the set maximum electric field strength is applied to the gate insulating film. The maximum polarization induced in the ferroelectric film when an electric field of P MAX [μC /
cm 2 ], the dielectric constant of vacuum is ε O [F / m], and the relative dielectric constant of the ferroelectric film is ε I , R S = P MAX / (ε O · ε I · E I (MAX ) ) The relationship holds.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001270234A JP2003078113A (en) | 2001-09-06 | 2001-09-06 | Semiconductor device and its drive method |
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---|---|---|---|
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6949780B2 (en) | 2001-06-06 | 2005-09-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor device |
JP2008124452A (en) * | 2006-10-27 | 2008-05-29 | Qimonda Ag | Modifiable gate stack memory element |
-
2001
- 2001-09-06 JP JP2001270234A patent/JP2003078113A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6949780B2 (en) | 2001-06-06 | 2005-09-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor device |
JP2008124452A (en) * | 2006-10-27 | 2008-05-29 | Qimonda Ag | Modifiable gate stack memory element |
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