JP2003324186A - 強誘電体メモリの製造方法及び強誘電体メモリ - Google Patents
強誘電体メモリの製造方法及び強誘電体メモリInfo
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Abstract
転用(変換)を図る。 【解決手段】 強誘電体メモリに対するチップ組立を行
うチップ組立工程と、チップ組立工程後に強誘電体メモ
リにデータの書込みを行うデータ書込み工程と、データ
書込み工程後に強誘電体メモリが有する強誘電体膜をこ
の強誘電体膜の相転移温度Tc(℃)未満の加熱温度T1
(℃)で加熱する第1の加熱工程とを、強誘電体メモリ
を用いたROMの製造プロセスに用いるとともに、これ
ら工程を経て得られたROM化した強誘電体メモリの強
誘電体膜に対して、この強誘電体膜の相転移温度T
c(℃)以上の加熱温度T2(℃)で加熱する第2の加熱
工程を、ROM化した強誘電体メモリを用いたRAMの
製造プロセスに用いる。
Description
リ、特に、強誘電体メモリを用いたROM(Read
Only Memory:読み出し専用メモリ)の製造
方法、及び、ROM化された強誘電体メモリを用いたR
AM(Random Access Memory:書
込み読み出し可能なメモリ)の製造方法に関する。
モリ(FeRAM:Ferroelectric RA
M)が注目されている。
ャパシタに強誘電体膜を用いており、強誘電体の自発分
極による電界の反転とその保持機能とを利用した低電
圧、低消費電力及び高速動作等が可能なメモリである。
速度がナノ秒オーダーであることや、分極反転に要する
電圧を強誘電体膜の作製法の最適化によって2.0V程
度に抑えられることから、EPROMやフラッシュメモ
リ等の他の不揮発性メモリに比べて書き換え速度及び動
作電圧に優れている。その上、強誘電体メモリのデータ
の可能書き換え回数は1012回以上であることから、現
在、強誘電体メモリはRAMとして実用化されている。
として優れた特性を有する従来の強誘電体メモリでは、
ウェハ状態においてプロービングを行っているため、強
誘電体メモリへの初期データの書込みがチップ組立工
程、つまり、ウェハ状態のチップを個片化し個々のチッ
プをマウント又はモールドする工程の前に行われてい
る。これらのチップ組立工程には、強誘電体メモリに対
する熱処理が含まれており、チップ組立工程前にデータ
の書込みが行われた強誘電体メモリがチップ組立工程等
で熱処理に晒されると、強誘電体メモリが具える強誘電
体膜のヒステリシス特性曲線が、熱処理前の残留分極状
態、すなわち、そのとき保持しているデータに応じてイ
ンプリント(シフト)することが知られている。
タの書込みを行った後に長期間保存(放置)しておく
と、記憶されているデータと反対のデータを書き込もう
とした際、強誘電体メモリの分極方向が既に記憶されて
いるデータによる分極方向に固定されているためにデー
タが反転しにくくなることである。
リントした強誘電体メモリ、例えば、従来公知の2つの
トランジスタ(2T)と2つのキャパシタ(2C)によ
り構成される2T2C型強誘電体メモリに対しては、新
たなデータの書込みを信頼性良く行えないことがある。
例えば、チップ組立工程前に、強誘電体メモリの一対の
メモリセルキャパシタの各々に初期データがある状態で
書き込まれていたとする。これらのメモリセルキャパシ
タの各々に、チップ組立後において初期データとは逆の
状態(反転状態)のデータを書き込むとき、当該書込み
時における両キャパシタ間での電荷量の差がインプリン
トに起因して当該インプリントのない場合よりも小さく
なっているため、新たなデータの書込みを信頼性良く行
うことができない。
メモリの信頼性を低下させるインプリントの発生を抑制
させることにより、RAMとしての特性の劣化を回避し
ていた。
討を行ったところ、チップ組立工程前ではなくチップ組
立工程後に初期データの書込みを行えば、残留分極が発
生していない状態で初期データの書込みが行えるため、
インプリントの発生を抑えることができるという認識に
至った。
るインプリントの発生を積極的に利用することにより強
誘電体メモリをROM化することができ、更に、ROM
化された強誘電体メモリを再加熱することによりRAM
化できることを発見した。
電体メモリの製造方法は、下記のような構成上の特徴を
有する。
モリを用いたROMを製造するに当たり、強誘電体メモ
リに対するチップ組立を行うチップ組立工程と、チップ
組立工程後に強誘電体メモリにデータの書込みを行うデ
ータ書込み工程と、データ書込み工程後に強誘電体膜を
この強誘電体膜の相転移温度Tc(℃)未満の加熱温度
T1(℃)で加熱する第1の加熱工程とを含んでいる。
体膜に対する第1の加熱工程によって、強誘電体キャパ
シタのヒステリシス特性が、データ書込み工程時に書き
込んだデータに対応する残留分極状態を安定にする状態
にインプリントする。
ある分極状態とは反転(逆)の分極状態は不安定な状態
となるため、データ書込み工程時に書き込んだデータと
は逆のデータを書き込むことが困難な実質ROM状態
(ROM化)、すなわち、読み出し専用メモリ(RO
M)として動作する。
ROM化した強誘電体メモリを、RAMとしての機能回
復を図ることなく、以後はROMとして利用できる。
強誘電体メモリが有する強誘電体膜を、当該強誘電体膜
の相転移温度Tc(℃)以上の加熱温度T2(℃)で加熱
する第2の加熱工程を含んでいる。
にROM化した強誘電体メモリの強誘電体膜に対する第
2の加熱工程によって、第1の加熱工程でインプリント
したヒステリシス特性を再び当該インプリント前の状態
に復帰させることができるので、一旦ROMとして動作
させた強誘電体メモリを再び、随時書込み読み出し可能
なメモリ(RAM)として機能させることができる。
によって本来RAMとして機能し得る強誘電体メモリを
ROM化させる一方で、第2の加熱工程によって一旦R
OM化した強誘電体メモリを再度RAMとして機能させ
ることができる。
電体メモリをROM又はRAMとして選択的に使用でき
るので、強誘電体メモリの利用度をより高めることがで
きる。
及びRAM間の変換(転用)が可能となるため、ROM
及びRAMの製造にそれぞれ別個の複雑な製造プロセス
を必要としていた従来に比べて製造コストを低減でき
る。
の実施の形態について説明する。
の単なる好適例に過ぎず、従って、この発明をこの好適
構成例に何ら限定するものではなく、また、例示した数
値的条件は何らこれに限定されない。
ャート)を参照して、この発明に係るROM及びRAM
の製造方法について説明する。
ップ組立工程と、データ書込み工程と、第1の加熱工程
とを含んでいる。
体メモリが形成されている基板を用意した後(図1
(a))、この基板に対してチップ組立を行う(図1
(b))。
する強誘電体キャパシタの強誘電体膜にSrBi2Ta2
O9(SBT)膜を用いているが、このSBTの代わり
に、PbZrTiO3膜、Pb5Ge3O11膜又はBi4T
i3O12膜等を利用することができる。
は、ウェハ状態のチップを個片化し、個々のチップをパ
ッケージに搭載する工程のことであり、通常のマウント
工程やモールド工程等、強誘電体メモリが形成されたチ
ップに対して熱処理が行われる工程が含まれている。
た強誘電体メモリを含む回路の構成の一例を示す図であ
る。図2に示す構成例では、強誘電体メモリは(相補
型)2トランジスタ2キャパシタ(2T2C)型のメモ
リとする。通常、強誘電体メモリは複数のメモリセルを
具えているが、ここでは1つの2T2C型メモリセルの
みを図示してある。
ル12は、(MOS)トランジスタ14及び強誘電体キ
ャパシタ16を具えるメインセル18と、(MOS)ト
ランジスタ14’及び強誘電体キャパシタ16’を具え
るダミーセル18’とを有している。
てビット線BLに接続されており、キャパシタ16’は
トランジスタ14’を介してビット線/(バー)BLに
接続されている。ビット線BL及び/BLはビット線対
であって、これらビット線対は、ラッチ型センスアンプ
20に接続されている。センスアンプ20はセンスアン
プ制御信号線SASに接続されている。
L及び/BLに対し直交して設けられており、これらの
交点に個々のメモリセル(18,18’)が接続されて
いる。
ゲート電極の各々はワード線WLに接続されており、ト
ランジスタ14のドレイン電極はビット線BLに接続さ
れており、トランジスタ14’のドレイン電極は/BL
に接続されている。また、トランジスタ14のソース電
極は強誘電体キャパシタ16の一方の電極に接続されて
おり、トランジスタ14’のソース電極は強誘電体キャ
パシタ16’の一方の電極に接続されている。
6’)のうちソース電極とは非接続側の電極は、プレー
ト線PLにそれぞれ接続されている。
リチャージ制御信号線PCHGに接続された(MOS)
トランジスタ22を介して接地電圧に接続されており、
ビット線/BLは、ゲート電極が同ビット線プリチャー
ジ制御信号線PCHGに接続された(MOS)トランジ
スタ24を介して接地電圧に接続されている。
ト(TMゲート)26が介挿されており、ビット線/B
Lにはトランスミッションゲート(TMゲート)28が
介挿されている。これらTMゲート26及び28のゲー
ト電極の各々はビット線選択線SELECTに接続され
ているが、各TMゲート(26,28)のうちの一方の
ゲート電極はNOTゲート30を介してビット線選択線
SELECTに接続されている。尚、このときのNOT
ゲート30の入力端子は、ビット線選択線SELECT
側に接続されている。
随時書込み読み出し可能なメモリとして機能する、つま
り、RAMの状態である。従って、RAMの状態にある
この強誘電体メモリに対するデータの書込み及び読み出
し動作は、通常の手順によって行うことができる。
強誘電体メモリでは、2つの強誘電体キャパシタ(1
6,16’)に逆論理電圧(“H”及び“L”)を書き
込むとともに、この2つの強誘電体キャパシタ(16,
16’)から読み出される電圧差をセンスアンプ20で
増幅することによってデータの読み出しを行うことがで
きる。
メモリを読み出し専用メモリとして機能させる、つまり
ROM化するために、この強誘電体メモリに対してデー
タの書込みを行う(図1(c))。
チップ組立工程後であって、まだ一度もメモリセル12
にデータの書込みが行われていない強誘電体キャパシタ
16の、予測されるヒステリシス特性(強誘電体キャパ
シタ特性)について説明する。
れるヒステリシス特性を示す図である。同図において、
横軸はキャパシタに印加される電圧(V)を示し、縦軸
は単位面積当たりの分極量(μC/cm2)を示してい
る。
リシス特性曲線が得られたときの残留分極値の実測値を
示しており、Y軸とこのヒステリシス特性曲線との交点
から理論的に得られる残留分極値(点A及び点B)と実
質的に同じであるが、ここでは点a及び点bを用いて説
明する。
ロ)に対して良好な対称性を有しているため、点a及び
点bのどちらの分極状態であっても安定状態を得ること
がわかる。
の印加電圧を0V(電源OFF)としたときに、当該強
誘電体キャパシタに残留する残留分極値を不揮発性デー
タとして利用するメモリである。
強誘電体キャパシタ16に対してどちらの論理電圧
(“H”または“L”)を印加(データ書込み)した場
合でも良好なデータ保持特性を有する、すなわち、「R
AM状態」を形成している。
モリに、初期データの書込みを行う。
セル12に対して、例えば、論理値“1”の書込みを行
う。このとき、強誘電体キャパシタ16に論理電圧
“H”を印加して得られる残留分極値(保持するデー
タ)は点aとなる。尚、逆に、メモリセル12に対して
論理値“0”の書込みを行った場合には、強誘電体キャ
パシタ16の残留分極状態は、反転した位置の点bとな
る(図3参照)。
メモリに対して、第1の加熱工程を行う(図1
(d))。この第1の加熱工程においては、強誘電体メ
モリが具える強誘電体膜を、この強誘電体膜の相転移温
度未満の加熱温度で加熱する。
能な強誘電体メモリを電気炉(大気雰囲気)に載置し
て、強誘電体膜の相転移温度Tc(℃)未満の加熱温度
T1(℃)でベーキング処理を行う。
あるSrBi2Ta2O9(SBT)の相転移温度T
c(℃)は約350℃であることから、Tc(℃)より低
い、例えば、220℃の加熱温度T1(℃)で1時間の
ベーキング処理を行う。
対する加熱温度T1(℃)及び加熱時間との関係を示す
特性図である。図4において、横軸に温度(℃)をと
り、かつ、縦軸に時間(hrs)をとって示してある。
SBTに関する加熱温度T1(℃)と加熱時間は、図4
からも明らかなように、直線的な特性を示しているので
この直線上の点の組み合わせにより決定するのが好まし
い。しかしながら、強誘電体膜の特性劣化や加熱時間が
長時間化することによるプロセスの複雑化を緩和する観
点から、加熱温度T1(℃)は220℃〜250℃の範
囲内の温度、すなわち、SBTの相転移温度Tc(℃)
よりも100℃〜130℃の範囲内の温度だけ低い温度
とするのがより好ましい。特に、SBTを強誘電体膜と
して用いる強誘電体メモリの場合には、データ書込み後
の強誘電体メモリに対する加熱温度T 1(℃)を約22
0℃とし加熱時間を1時間程度とすることにより、高温
度及び短時間での強誘電体メモリの加熱に比べて、強誘
電体メモリに発生するインプリントを高い制御性でコン
トロールすることが可能である。
合でも、その加熱温度T1(℃)及び加熱時間を任意好
適に決定することができるが、各強誘電体膜の加熱温度
T1(℃)は、当該強誘電体膜の相転移温度Tc(℃)よ
りも50℃〜150℃の範囲内の温度だけ低い温度とす
るのが好ましい。
ング処理が施された強誘電体キャパシタ16のヒステリ
シス特性を示す。同図において、横軸は電圧(V)を示
し、縦軸は単位面積当たりの分極量(μC/cm2)を
示している。
ーキング処理によって、ベーキング処理前の強誘電体キ
ャパシタ16のヒステリシス形状(図3参照)が、当該
ベーキング処理前の残留分極に依存してインプリント
(シフト)していることが理解できる。
グ処理前の強誘電体キャパシタ16は点aが残留分極値
であったことに依存して、このときヒステリシス特性曲
線はベーキング処理によって左方向(矢印X方向)へイ
ンプリントする。
って、残留分極値が点aである強誘電体キャパシタの内
部に存在する電荷が、この分極状態を安定化させる方
向、すなわち、正(+)の分極値方向に除々に再分布し
て電界(内部電界)を発生するためである。
前の分極状態(点a)のデータ保持特性は向上する一方
で、この分極状態とは反転する分極状態(点b)(図3
参照)におけるデータ保持特性は逆に低下することにな
る。
(点a)は、この内部電界によって当該分極状態を反転
させにくい状態、すなわち、安定状態となる一方で、イ
ンプリント発生前の分極状態(点a)に対応するデータ
と逆のデータの書込みを行おうとしても、この内部電界
によって逆のデータに対応する分極状態(点b)の維持
が困難な状態、すなわち、不安定状態となる。
キング処理前に書き込まれたデータと逆のデータを書き
込もうとしても、反転分極は不安定状態であることから
分極状態は直ちに安定状態である分極状態に遷移してし
まい、逆のデータ書込みが困難な実質「ROM状態(R
OM化)」となる。
ント発生後の強誘電体メモリ(本来は、RAM)は、R
OMとして利用することができる。尚、「ROM状態」
の強誘電体メモリのデータ読み出し動作についても、既
に説明したように通常の強誘電体メモリ(RAM)のデ
ータ読み出しの手順によって行うことができる。
化続いて、上述した工程を経て得られた、「ROM化し
た強誘電体メモリ」に対して、第2の加熱工程を行う
(図1(e))。この第2の加熱工程においては、強誘
電体メモリが具える強誘電体膜を、この強誘電体膜の相
転移温度以上の加熱温度で加熱する。
体メモリを電気炉(大気雰囲気)に載置して、強誘電体
膜の相転移温度Tc(℃)以上の加熱温度T2(℃)でベ
ーキング処理を行う。
した瞬間にほぼ相転移すると考えられるので、第2の加
熱工程では、加熱温度T2(℃)を強誘電体膜(ここで
は、SBT)の相転移温度Tc(℃)を通過するように
設定すれば良い。そのため、加熱時間は、秒オーダーで
も充分な場合も含まれる。また、加熱温度T2(℃)
は、強誘電体膜の特性劣化への配慮から相転移温度Tc
(℃)程度に設定するのが好ましい。
電体膜はSBT(相転移温度Tc(℃)=350℃)で
あることから、350℃の加熱温度T2(℃)で1分間
のベーキング処理を行う。
た強誘電体キャパシタ16のヒステリシス特性を示す。
同図において、横軸は電圧(V)を示し、縦軸は単位面
積当たりの分極量(μC/cm2)を示している。
よって、インプリントしていたヒステリシス特性(図4
参照)の残留分極は0(ゼロ)の状態(図中黒丸印に相
当)になり、インプリントは消失する。尚、ベーキング
処理後の昇温過程においても、強誘電体膜の残留分極は
0を保持している。
残留分極がゼロであるため、当該強誘電体キャパシタ1
6にはどちらの論理電圧(“H”または“L”)も新た
に印加(データ書込み)することができる。
aまたは点bに残留分極値をとり得る「RAM状態(R
AM化)」となる。
モリの強誘電体膜を、ベーキング処理によって、再びR
AMとしての機能を有する強誘電体メモリとすることが
できる。
施の形態では、本来はRAMとして機能する強誘電体メ
モリを第1の加熱工程によってROM化させることがで
きる一方で、一旦ROM化した強誘電体メモリを第2の
加熱工程によって再度RAM化させることができる。
ぞれ別個の複雑な製造プロセスが必要であった従来に比
べて、加熱処理のみによるROM及びRAM間の変換
(転用)の実現により製造コストを低減することができ
る。
をROM又はRAMとして選択的に用いることができる
ので、目的や設計に応じた強誘電体メモリの幅広い利用
を実現できる。
等は、上述の組合せのみに限定されない。よって、任意
好適な段階において好適な条件を組み合わせることで、
この発明を適用させることができる。
セル構成が2T2C型の強誘電体メモリの場合について
説明したがこれに限定されない。よって、1T1C型等
のメモリセル構成である強誘電体メモリであってもこの
発明を適宜適用でき、同様の効果を期待できる。
発明によれば、従来はRAMとして用いられていた強誘
電体メモリを第1の加熱工程によってROMに、また、
ROMとして機能する強誘電体メモリを第2の加熱工程
によって再びRAMに変換(転用)することができる。
ぞれ別個の製造プロセスによる作り分けが必要であった
従来に比べて製造コストを低減できるだけでなく、同一
の使用環境下において強誘電体メモリをROM或いはR
AMとして選択的に使用できるので、目的や設計に応じ
た強誘電体メモリの幅広い利用を実現できる。
するフロー図である。
ある。
シス特性図(その1)である。
る。
シス特性図(その2)である。
シス特性図(その3)である。
Claims (14)
- 【請求項1】 強誘電体膜を具える強誘電体メモリの製
造方法において、 前記強誘電体メモリに対するチップ組立を行うチップ組
立工程と、 該チップ組立工程後に前記強誘電体メモリにデータの書
込みを行うデータ書込み工程と、 該データ書込み工程後に前記強誘電体膜を該強誘電体膜
の相転移温度Tc(℃)未満の加熱温度T1(℃)で加熱
し、前記強誘電体膜にインプリントを発生させる第1の
加熱工程とを含むことを特徴とする強誘電体メモリの製
造方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の強誘電体メモリの製造
方法において、前記第1の加熱工程を、(Tc−15
0)(℃)≦T1(℃)≦(Tc−50)(℃)を満足さ
せる前記加熱温度T1(℃)で行うことを特徴とする強
誘電体メモリの製造方法。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の強誘電体メモ
リの製造方法において、前記強誘電体膜をSrBi2T
a2O9を具える膜とし、前記第1の加熱工程は、前記加
熱温度T1(℃)を実質220(℃)とし実質1時間行
うことを特徴する強誘電体メモリの製造方法。 - 【請求項4】 請求項1ないし3のいずれか一項に記載
の強誘電体メモリの製造方法において、前記強誘電体メ
モリとして読み出し専用メモリを製造することを特徴と
する強誘電体メモリの製造方法。 - 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれか一項に記載
の強誘電体メモリの製造方法において、前記チップ組立
工程では、前記強誘電体メモリに対する熱処理を行うこ
とを特徴とする強誘電体メモリの製造方法。 - 【請求項6】 強誘電体膜を具える強誘電体メモリに対
するチップ組立を行うチップ組立工程と、該チップ組立
工程後に強誘電体メモリにデータの書込みを行うデータ
書込み工程と、該データ書込み工程後に前記強誘電体膜
を該強誘電体膜の相転移温度Tc(℃)以下の加熱温度
T1(℃)で加熱する第1の加熱工程とを経て得られる
前記強誘電体メモリを読み出し専用メモリとし、該読み
出し専用メモリが具える前記強誘電体膜を、該強誘電体
膜の相転移温度Tc(℃)以上の加熱温度T2(℃)で加
熱する第2の加熱工程を含むことを特徴とする強誘電体
メモリの製造方法。 - 【請求項7】 請求項6に記載の強誘電体メモリの製造
方法において、前記第1の加熱工程を、(Tc−15
0)(℃)≦T1(℃)≦(Tc−50)(℃)を満足さ
せる前記加熱温度T1(℃)で行うことを特徴とする強
誘電体メモリの製造方法。 - 【請求項8】 請求項6または7に記載の強誘電体メモ
リの製造方法において、前記強誘電体膜をSrBi2T
a2O9を具える膜とし、前記第1の加熱工程は前記加熱
温度T1(℃)を実質220(℃)とし実質1時間行
い、前記第2の加熱工程は前記加熱温度T2(℃)を実
質350(℃)以上で行うことを特徴とする強誘電体メ
モリの製造方法。 - 【請求項9】 請求項6ないし8のいずれか一項に記載
の強誘電体メモリの製造方法において、前記第2の加熱
工程後の前記強誘電体メモリとして、書込み読み出し可
能なメモリを製造することを特徴とする強誘電体メモリ
の製造方法。 - 【請求項10】 請求項6ないし9のいずれか一項に記
載の強誘電体メモリの製造方法において、前記チップ組
立工程では、前記強誘電体メモリに対する熱処理を行う
ことを特徴とする強誘電体メモリの製造方法。 - 【請求項11】 請求項1ないし5のいずれか一項に記
載の強誘電体メモリの製造方法によって製造されたこと
を特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項12】 請求項11に記載の強誘電体メモリに
おいて、該強誘電体メモリは、読み出し専用メモリであ
ることを特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項13】 請求項6ないし10のいずれか一項に
記載の強誘電体メモリの製造方法によって製造されたこ
とを特徴とする強誘電体メモリ。 - 【請求項14】 請求項13に記載の強誘電体メモリに
おいて、該強誘電体メモリは、書込み読み出し可能なメ
モリであることを特徴とする強誘電体メモリ。
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