JP2004311512A - Multilevel information storage element, its using method, and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多値情報記憶素子、その使用方法およびその製造方法に関し、より具体的には高い信頼性を有し微細化しやすい多値情報記憶素子、その使用方法およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の多値情報記憶素子では、メモリセル内に強誘電体層を含む2つのキャパシタが並列に配置されている(例えば、特許文献1参照)。この多値情報記憶素子では、並列に配置されたキャパシタの各強誘電体部の分極状態を制御するための印加電圧を共通とし、各キャパシタの強誘電体部において分極の向きの正負という2値のデータを記憶させる。そして、並列のキャパシタの各強誘電体部のデータを組み合わせることにより、並列キャパシタ全体として多値、上記開示の場合3値、の情報を記憶させる。
【0003】
また、他の多値情報記憶素子では、基板上に、絶縁層/下部電極層/強誘電体層/上部電極層、の積層構造のゲート領域を、複数、形成する。各ゲート領域の下部電極層の厚さをそれぞれ相違させ、段構造にすることにより強誘電体層の厚さをゲート領域ごとに変化させる(特許文献2参照)。この下部電極層の段構造により、強誘電体層の厚さがゲート領域ごとに異なり、容量の異なる強誘電体キャパシタが互いに並列に結合した回路構成を得ることができる。この多値情報記憶素子は、ゲート領域数に対応する数の分極安定点を持つ形状の合成ヒステリシス特性を示す。これにより、セル面積を増加させることなく、情報量を多値化することが可能となる。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−24074号公報
【0005】
【特許文献2】
特開2001−94065号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の多値情報記憶素子では、強誘電体層を並列に配置した並列接続のキャパシタをメモリセル内に設けた構造となっている。このような構造の素子を作成する場合、下部電極に段差構造を形成するための転写・加工プロセスが必要となり、プロセス全体の工程数が増大するという問題があった。また、強誘電体キャパシタに用いられる下部電極の材料の白金は加工が困難であるという問題もあった。さらに、上記の従来の多値情報記憶素子の構造では、キャパシタの面積が小さくなる分、残留分極量が低下し、わずかな電圧変動で素子が誤動作する可能性が高くなるという問題があった。
【0007】
本発明は、加工が容易であり、プロセス工程数を抑制し、動作の制御において誤動作を生じにくい多値情報記憶素子、その使用方法およびその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の多値情報記憶素子は、多値情報を記憶する多値情報記憶素子であって、2つの電圧付加部の間に、第1の抗電圧を有する第1の強誘電体層と、第1の抗電圧と異なる第2の抗電圧を有する第2の強誘電体層とを積層した積層強誘電体構造を備える。
【0009】
この構成により、この積層誘電体構造に適切な形状のパルス電圧(信号)を印加することにより、残留分極の4つの安定点(安定分極状態)を有するヒステリシス特性を実現し、多値メモリ(4値)を実現することができる。上記の多値情報記憶素子では、下電極の段差加工、強誘電体層の並列形成などの複雑なプロセス工程は必要なく、抗電圧の異なる強誘電体膜を積層することでその構成を実現することができる。
【0010】
また、誘電体を含む領域を分割する必要がなく、誘電体領域の面積が小さくならないため、残留分極量が減少することがない。このため、安定点での分極量の変動が少なく、微細化した場合でも素子が誤動作する可能性は低減される。
【0011】
上記の2つの電圧付加部は、一方が基準電圧、たとえば接地電圧を付加する部分であり、他方が所定の駆動電圧を付加する部分であるようなものをさす。必ずしも導電性の電極でなくてもよく、たとえば半導体であってもよい。
【0012】
上記の多値情報記憶素子の使用方法においては、2つの電圧付加部に、(a1)一の方向に前記第1および第2の強誘電体層における分極がともに飽和する大きさの電圧αを印加する、(a2)電圧αを印加した後、一と逆方向に第1および第2の強誘電体層の一方のみの分極が飽和し他方は飽和しない大きさの電圧β(>0)を印加する、(a3)一の方向と逆方向に第1および第2の強誘電体層における分極がともに飽和する大きさの電圧αを印加する、および(a4)一の方向と逆方向に電圧αを印加した後、一の方向と逆方向に第1および第2の強誘電体層の一方のみの分極が飽和し他方は飽和しない大きさの電圧βを印加する、の(a1)、(a2)、(a3)および(a4)いずれかの電圧パターン付加を行ない、その後、ゼロ電位としたときに、(a1)、(a2),(a3)および(a4)の4種類の電圧パターン付加にそれぞれ対応して残る4種類の残留分極と、4値とを対応させる。
【0013】
上記の使用方法により、複雑な加工を要さず、製造工程数を抑制した製造方法で製造した多値情報記憶素子にもかかわらず、高い信頼性で4値情報の書き込みおよび読み出しができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【0015】
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の多値情報記憶素子におけるキャパシタ部を示す断面図である。キャパシタ5は、電極1の上に、順に、強誘電体層2、中間電極15、強誘電体層3と積層され、強誘電体層3の上に電極4が配置される構成をとっている。すなわち、図1に示すキャパシタ5は、図4に示すように、容量の異なる2つのキャパシタを直列に接続した回路と等価である。強誘電体層2および3が、電気的に直列に接続されている。
【0016】
図4において、Vaは強誘電体層2および3の中間点電位を、またVbは電極4の電位を表している。ここで、電極1および4の間に電圧Vb(=V2)を印加した場合、強誘電体層2,3に対面する電極表面に表れる真電荷は絶対値は同じであり、また中間電極15の上表面の真電荷と下表面の真電荷とは、中間電極における中性条件が保たれるように真電荷の符号は反対である。
【0017】
次に、強誘電体層および電極の材料について説明する。
強誘電体層2,3には、図2および図3に示すような、印加される電圧とその電圧によって誘起される電荷量との関係において、ヒステリシス特性を有するような材料薄膜を適用する。また、強誘電体層2と強誘電体層3とは、互いに抗電圧が異なる材料を用いる必要がある。このような強誘電体層としては、比較的容易に強誘電性が得られるPb(ZrxTi1−x)O3(0≦x≦1)、PbxLa1−xZryTi1−yO3(0≦x≦1、0≦y≦1)、BaTiO3、PbTiO3などのチタン酸バリウム型の材料、あるいはLiNbO3、KTaO3、NaNb5O15、SrBi2Ta2O9、Bi4Ti3O12、(Ba,Sr)Nb2O6、SrBi2Ta2O9、Bi4Ti3O12などがある。また、上下の電極1および4、および中間電極15の材料には白金(Pt)、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2)、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2)などが適当である。
【0018】
次に、上記のヒステリシス特性を合成して、多値情報を形成する方法について説明する。
【0019】
図5は、図1に示すキャパシタ5への電圧印加により発生する電荷量および分割電圧を求めるための図である。図5において、縦軸(Y軸)は電極における真電荷、つまり電束密度であり、また横軸(X軸)は強誘電体層2および3の中間点の電位Vaに相当する。図5では、強誘電体層2のヒステリシス特性6と強誘電体層3のヒステリシス特性7とは中間電極の電位Vaを基点として描かれている。ここで、強誘電体層3の両端に掛かる電圧はVb−Vaに相当し、Vaを基点とした場合、強誘電体層3のヒステリシス特性7は左右反転して示されることになる。
【0020】
図5において、強誘電体層2に接する電極1の電位を0(ゼロ)とした場合、X軸とヒステリシス特性7の中心線との交点8は、電極1および4の間の電位差を示すことになる。よって、キャパシタ全体への印加電圧Vbを変化させると、強誘電体層2のヒステリシス特性7がX軸方向に水平移動することになる。また、2つのヒステリシス特性6および7の交点9のX座標は、強誘電体層2および3の境界の電位Va(すなわち強誘電体層2に作用する電圧)をあらわし、また上記交点のY座標は、その時の電極1および4に現われる真電荷量を意味することになる。
【0021】
図1のキャパシタの両端に、この後で説明する適切な形状のパルス電圧を印加することにより、図6に示すような合成ヒステリシス特性を実現させることができる。図6において、横軸は図1のキャパシタ5への印加電圧(電極4の電位)、縦軸は電極1および4に表れる電荷量に相当する。図6に示すヒステリシス特性は4つの経路を持っており、印加電圧Vbが0(ゼロ)Vの場合に4つの分極安定点P11、P01、P10、P00を有している。このように、4つの分極安定点を有するためには、電圧−電荷の関係においてヒステリシスを有する2つの強誘電体層が、互いに異なる抗電圧を持つことが必要である。
【0022】
次に、上記のキャパシタに4値情報を書き込む方法について説明する。
まず、P11状態の書き込みを行う場合、電極1および4の間に、図7(c)に示すような正の比較的大きな電圧α(α>0)を印加する。この場合、図7(a)に示すように、強誘電体層3のヒステリシス7は、原点から印加電圧分だけX軸方向に位置した状態にある。この状態では図7(a)から分かるように、ヒステリシス6および7ともに飽和している。ここから、図7(d)に示すように電極1および4の間への印加電圧を0V(ゼロボルト)にすると、図7(b)のようにヒステリシス7は、原点位置に移動する。これにより、印加電圧が0(ゼロ)Vの状態で、交点11に相当する量の電荷Q(=P11)が電極1および4の間に蓄積されることになる。すなわち、P11の書き込みが行われる。上述したように、図7(a)、(b)において、横軸には強誘電体層2および3の境界の中間点電位Vaをとっている。
【0023】
上記のパルス電圧の印加動作を行った際に、電極1および4の間に発生する電荷量Qを、印加電圧Vbを横軸にとってプロットしなおすと、図8(a)および図8(b)のようになる。すなわち、図6に示す4つの経路および4つの分極安定点のうちの1つの経路および1つの分極安定点を形成することが分かる。
【0024】
次に、P01状態の書き込みについて説明する。図9(c)に示すように、正の比較的大きな電圧α(α>0)を印加した後、負の電圧−β(β>0)を印加する。ここで、βは、強誘電体層2にかかる電圧である中間点電位Vaが強誘電体層2のヒステリシス6における抗電圧を超えない範囲の値とする。しかし、βと中間点電位Vaとの差、すなわち強誘電体層3にかかる電圧は、強誘電体層3のヒステリシス7における抗電圧を超える範囲の値とする。すなわち、強誘電体層2のヒステリシスに対して飽和せず、強誘電体層3のヒステリシス7に対して飽和するような電圧を印加する。
【0025】
上記の電圧−βを印加することにより、図9(a)に示すように、ヒステリシス7はXの負方向に−βだけ移動した状態となっている。上述したとおり、図9(a)に示すように、この状態では、ヒステリシス6は飽和に至らず、ヒステリシス7のみが飽和している。この状態から、図9(d)に示すように、電極1および4の間への印加電圧を0(ゼロ)Vにすると、ヒステリシス7は原点位置に移動し、交点12に相当する量の電荷Q(=P01)が電極1および4の間に蓄積される(図9(b))。すなわち、P01の書き込みが行われる。この場合、強誘電体層2にはヒステリシス6が飽和するに十分な大きさの電圧がかかっていない。このため、図9(b)に示すように、ヒステリシス6においては、電圧−βを印加した時と電圧−βからゼロボルトにしたときとで同じ経路を辿ることになる。
【0026】
図9(c)および(d)に示すパルス電圧の印加動作を行った際に、電極1および4の間に蓄積される電荷量Qを、印加電圧Vbを横軸にしてプロットしなおすと、図10(a)および(b)のようになる。すなわち、図6に示す4つの経路および4つの分極安定点のうちの1つの分極安定点P01とそこに至る経路が得られることが分かる。
【0027】
次に、P00状態の書き込みを行う手順について説明する。まず、図11(c)に示すように電極1と4の間に負の比較的大きな電圧−α(α>0)を印加する。これにより、ヒステリシス7は図11(a)に示すように原点から印加電圧分−αだけX軸方向に移動する。次に、図11(d)に示すように、電極1と4の間の電圧を0(ゼロ)Vにすると、図11(b)に示すように、ヒステリシス7は原点位置に移動し、交点13でP00の書き込みが行われる。
【0028】
上記パルス電圧の印加動作を行った際に、電極1および4の間に蓄積される電荷量Qを、印加電圧Vbを横軸にしてプロットしなおすと、図12(a)および(b)のようになる。すなわち、図6に示す4つの経路および4つの分極安定点のうちの1つの分極安定点P00とそこに至る経路が得られることが分かる。
【0029】
次に、P10状態の書き込みについて説明する。まず、図13(c)に示すように、電極1と4の間に負の比較的大きな電圧−α(α>0)を印加した後、正の電圧+β(β>0)を印加する。ここで、βは、強誘電体層2にかかる電圧である中間点の電位Vaがヒステリシス6の抗電圧を超えない範囲の値とする。また、強誘電体層3にかかる電圧であるβと中間点の電圧の差が、ヒステリシス7の抗電圧を超える範囲の値とする。
【0030】
上記の範囲の電圧+βを印加することにより、図13(a)に示すようにヒステリシス7はXの正方向に+βだけ移動した状態となっている。この状態では、上記の電圧範囲としたので、図13(a)に示すように、ヒステリシス6は飽和に至らず、ヒステリシス7のみが飽和している。この状態から、図13(d)に示すように、電極1および4の間への印加電圧を0(ゼロ)Vにするとヒステリシス7は原点位置に移動し、交点14でP10の書き込みが行われる(図13(b))。
【0031】
上記の場合、強誘電体層2にはヒステリシス6が飽和するに十分な大きさの電圧がかかっていない。このため、図13(b)に示すように、ヒステリシス6においては、電圧+βから0(ゼロ)Vにしたとき、電圧+βを印加した時と同じ経路を辿ることになる。
【0032】
上記パルス電圧の印加動作を行った際に、電極1および4の間に蓄積される電荷量Qを、印加電圧Vbを横軸にしてプロットしなおすと、図14(a)および(b)のようになる。すなわち、図6に示す4つの経路および4つの分極安定点のうちの1つの分極安定点P10とそこに至る経路が得られることが分かる。
【0033】
上記の4値情報の書き込み、読み出し方法から分るように、2つの強誘電体層は、そのヒステリシス曲線において、一方の強誘電体層が飽和し、他方の強誘電体層が飽和しない電圧範囲が存在することが必要である。このために、2つの強誘電体層の抗電圧が相違することとしている。
【0034】
上記の方法により、強誘電体層2および3に大きさの異なる2つの電圧パルスを単独で、または組み合わせて印加することにより、P11、P01、P10、P00の4つの状態を書き込むことが可能となる。すなわち、1つのメモリセルに4値の情報を記憶することが可能となる。
【0035】
上記の構成では、電圧パターン書き込み部は電極1および4と、その電極に電圧パターンを印加する、図示していない制御回路部とを備える。また、図示していない残留分極読み出し部は、上部下部電極に誘起される電荷によって敏感に変動を受ける電流または抵抗などを読み出すことができる機構を用いることができる。
【0036】
本実施の形態に示すように、強誘電体層を積層した構造を用いることにより、従来の多値メモリに比べて積層強誘電体層構造の形成プロセスの簡略化、工程数の削減を図ることができる。また、多値化に伴い積層強誘電体構造の面積を小さくする必要がないため、素子の誤動作の可能性も低下させることができる。このあため、微細化にも適している。
【0037】
(実施の形態2)
図15は、本発明の実施の形態2における多値情報記憶素子が適用されたMFSFET型のメモリセルを示す図である。また、図16は、図15のメモリセルをワード線とビット線とに配置した等価回路図である。図15を参照して、シリコン基板51の表面に形成された1対のソース/ドレイン領域52の間のチャネル層53の上に、強誘電体層54および55を介在させてゲート電極56が位置する。図15において、シリコン基板をp導電型とし、ソース、ドレイン領域をn導電型とする。
【0038】
上記の構成において、ゲート電極56に対して、実施の形態1の各種のパルス電圧に対応したパルス電圧パターンを印加する。この電圧印加により、強誘電体層54とチャネル層53との界面に、正負4種類の電荷量P00,P01,P10,P11を蓄積させて、4値の情報を記憶する。この蓄積される電荷Qの極性と大きさとにより、トランジスタの閾値電圧が変化する。
【0039】
次に、書き込み方法、読み出し方法を具体的に説明する。上述したように、図15でシリコン基板をp導電型とし、ソース、ドレイン領域をn導電型とした場合、ゲート電極56に、図7(d)に示すパルス電圧に対応する電圧パターンを印加すると、図17に示すように強誘電体層54とチャネル層53との界面に正電荷57が蓄積される。図18に示すように、この正電荷57の電荷量Qは、P11に相当する。界面に電荷を蓄積させるとは、図15の場合、強誘電体層54に対面するチャネル層53の表面に負電荷を誘起させることになる。また、チャネル層に対面する強誘電体層の表面に正電荷を誘起させることになる。この状態では、トランジスタの閾値電圧が低下して、ゲート電極への電圧印加なしでもチャネル層53が反転してドレイン電流が流れるようになる。
【0040】
また、ゲート電圧に図9(d)に対応する電圧パターンを印加した場合、上記界面に蓄積される電荷58は、図19に示すように、図17の電荷57より少なくなる。これは、図20に示すように分極安定点P01に対応する。
【0041】
ゲート電圧に、図11(d)に対応する電圧パターンを印加した場合、上記界面に蓄積される電荷59は、図21に示すように、大きな負電荷となり、図22に示すように分極安定点P00に対応する。
【0042】
さらに、ゲート電圧に、図13(d)に対応する電圧パターンを印加した場合、上記界面に蓄積される電荷60は、図23に示すように、大きな負電荷となり、図24に示すように分極安定点P10に対応する。
【0043】
電荷量は、P11>P01>P10>P00の大小関係を有する。上述したように、チャネル層53の強誘電体層54に対面する表面には、上記蓄積される電荷と逆極性の電荷が誘起される。チャネル層は、上述のようにp導電型なので、ゲート電極に電圧を印加してチャネル層を反転させる場合、負電荷が誘起されていたほうが反転しやすい。このため、上記4つの分極安定点のうち、最もチャンネル反転しやすいのは、分極安定点P11の場合であり、次いで順にP01、P10、P00となる。チャネル反転しやすいということは、閾値電圧が低いことを意味する。したがって、閾値電圧は、P11<P01<P10<P00の順に大きくなり、P00が最も大きい。
【0044】
したがって、強誘電体層とチャネル領域との界面に表れる電荷の極性と大きさにより、(ドレイン電流Id/ゲート電圧Vg)特性は、図25に示すように変化する。図25より、ある電圧値65をゲート電極に印加し、その際に流れるドレイン電流値の差を検出することで、4値情報をそれぞれ区別して読み出すことができる。
【0045】
本実施の形態では、図16を参照して、電圧パターン書き込み部は、ゲート電極56、ワード線、そのワード線に電圧パターンを送る、図示していないワード線制御周辺回路部などから構成される。また、残留分極読み出し部は、シリコン基板主表面に形成されたソース/チャネル/ドレインと、ドレインに接続されるビット線と、ビット線制御周辺回路部などから構成される。
【0046】
本実施の形態に示すように、シリコン基板に強誘電体層を積層した構造を用いることで、従来の多値メモリに比べて積層強誘電体層構造の形成プロセスの簡略化、工程数の削減を図ることができる。また、多値化に伴い積層強誘電体構造の領域を分割する必要がないため、素子の誤動作の可能性も低下させることができる。このため、微細化にも適している。
【0047】
(実施の形態3)
上述の本発明の実施の形態1および2を実現する上で、ヒステリシスにおいて抗電圧が互いに相違する強誘電体層2および3にそれぞれ別種の材料を適用してもよい。また、同一種類の材料を適用することも可能である。本発明の実施の形態3では、同一種類の材料を用いて、抗電圧の異なる強誘電体層を形成する方法について説明する。
【0048】
例えば、強誘電体材料としてPb(ZrxTi1−x)O3薄膜を用いた場合、成膜後の結晶化アニール条件において、アニール昇温速度を調整することで、膜の結晶配向性を制御し、抗電圧を変化させることができる。図26に、強誘電体層を形成する成膜条件を同じとし、成膜後のアニール処理における昇温速度のみを変化させて形成したPb(Zr0.5,Ti0.5)O3膜のX線回折スペクトルを示す。図26に示すように、アニール時の昇温速度を0.05℃/秒から25℃/秒へと大きくすることにより、Pb(Zr0.5,Ti0.5)O3膜の結晶配向性が(100)配向から(111)配向へと変化しているのが分かる。このように、強誘電体層2および3の形成時にアニール処理条件のみを調整することにより、実施の形態1および2を実現する上で必要とされる、抗電圧が相違する2つの強誘電体層の積層構造を簡単に製造することができる。この結果、同じ種類の強誘電体材料を積層することで多値化が可能となるため、強誘電体材料の種類を減らすことが可能となる。また、強誘電体層の成膜条件を1層目と2層目で変更する必要がないため、工程数の削減が図れる。
【0049】
(実施の形態4)
本発明の実施の形態4では、図27に示すように、中間電極に下側電極1と結晶配向性の異なる膜を適用することにより、強誘電体層2と3の膜の結晶配向性を自動的に変化させることができる。(111)方向に強く配向したPt基板と無配向のPt基板上にそれぞれ、同一のプロセス条件で形成したPb(Zr0.5,Ti0.5)O3膜のX線回折スペクトルを図28に示す。図28より、(111)に配向したPt上のPb(Zr0.5,Ti0.5)O3膜は(111)に強く配向しており、無配向のPt上のPb(Zr0.5,Ti0.5)O3膜は無配向になっているのが分かる。すなわち、Pb(Zr0.5,Ti0.5)O3膜の結晶配向性は下地基板と同じになっている。
【0050】
以上のように、実施の形態1および2を実現する上で、強誘電体層2および3に同じ種類の材料を同一のプロセス条件で形成した薄膜を適用しても、結晶配向性を相違させ、抗電圧を異ならせることが可能である。この製造方法によれば、同じ種類の強誘電体材料を同じ条件で積層形成するため、強誘電体材料の種類を減らせて、コストの削減を図ることができる。
【0051】
(実施の形態に対する付言)
1.上記実施の形態では、2つの強誘電体層は、その抗電圧が相違することを説明した。しかし、非常に変わったヒステリシス曲線を有する強誘電体層が現れ、抗電圧が同じであっても、一方の強誘電体層が飽和し、他方の強誘電体層が飽和しない電圧範囲が存在するようなヒステリシス曲線を有する2つの強誘電体層が得られれば、本発明に含まれる2つの強誘電体層の対象となる。
2.上記実施の形態では、2つの強誘電体層が同じ組成を有し、配向を相違させることにより抗電圧が異なるようにした例を示した。しかし、2つの強誘電体層を異なる組成で形成することにより、配向の如何によらず抗電圧を相違させてもよいことは言うまでもない。
【0052】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されることはない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【0053】
【発明の効果】
本発明の多値情報記憶素子を用いることにより、加工が容易で、プロセス工程数の増大を抑制し、動作制御において誤動作を生じにくい多値情報記憶素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の多値情報記憶素子におけるキャパシタを示す図である。
【図2】図1のキャパシタの一方の強誘電体層のヒステリシス特性を示す図である。
【図3】図1のキャパシタの他方の強誘電体層のヒステリシス特性を示す図である。
【図4】図1のキャパシタの等価回路図である。
【図5】図1に示すキャパシタ5への電圧印加により発生する電荷量および分割電圧を求めるための図である。
【図6】図1に示すキャパシタの2つの強誘電体層のヒステリシスを合成した合成ヒステリシスを示す図である。
【図7】横軸を2つの強誘電体層の間の電圧として、(a)はキャパシタに電圧αを印加した状態を示す図であり、(b)はその後ゼロ電位にした状態を示す図であり、(c)電圧αの波形を示す図であり、(d)はその後、ゼロ電位にする波形を示す図である。
【図8】横軸をキャパシタに印加する電圧として、(a)は電圧αを印加した状態を示す図であり、(b)はその後、ゼロ電位にした状態を示す図である。
【図9】横軸を2つの強誘電体層の間の電圧として、(a)はキャパシタに電圧αを印加した後、電圧−βを印加した状態を示す図であり、(b)はその後ゼロ電位にした状態を示す図であり、(c)電圧α印加の後に電圧−βを印加する波形を示す図であり、(d)はその後、ゼロ電位にする波形を示す図である。
【図10】横軸をキャパシタに印加する電圧として、(a)は電圧α、次いで−βを印加した状態を示す図であり、(b)はその後、ゼロ電位にした状態を示す図である。
【図11】横軸を2つの強誘電体層の間の電圧として、(a)はキャパシタに電圧−αを印加した状態を示す図であり、(b)はその後ゼロ電位にした状態を示す図であり、(c)は電圧−αを印加する波形を示す図であり、(d)はその後、ゼロ電位にする波形を示す図である。
【図12】横軸をキャパシタに印加する電圧として、(a)は電圧−αを印加した状態を示す図であり、(b)はその後、ゼロ電位にした状態を示す図である。
【図13】軸を2つの強誘電体層の間の電圧として、(a)はキャパシタに電圧−αを印加した後、電圧βを印加した状態を示す図であり、(b)はその後ゼロ電位にした状態を示す図であり、(c)電圧−α印加の後に電圧βを印加する波形を示す図であり、(d)はその後、ゼロ電位にする波形を示す図である。
【図14】横軸をキャパシタに印加する電圧として、(a)は電圧−α、次いでβを印加した状態を示す図であり、(b)はその後、ゼロ電位にした状態を示す図である。
【図15】本発明の実施の形態2における多値情報記憶素子が適用されたMFSFET型のメモリセルを示す図である。
【図16】図15のメモリセルをワード線とビット線とに配置した等価回路図である。
【図17】図15のMFSFET型のメモリセルのチャネル領域と強誘電体層との間に蓄積される電荷を示す図である。
【図18】図17の分極状態に対応する分極安定点を示す図である。
【図19】図15のMFSFET型のメモリセルのチャネル領域と強誘電体層との間に蓄積される電荷を示す図である。
【図20】図19の分極状態に対応する分極安定点を示す図である。
【図21】図15のMFSFET型のメモリセルのチャネル領域と強誘電体層との間に蓄積される電荷を示す図である。
【図22】図21の分極状態に対応する分極安定点を示す図である。
【図23】図15のMFSFET型のメモリセルのチャネル領域と強誘電体層との間に蓄積される電荷を示す図である。
【図24】図23の分極状態に対応する分極安定点を示す図である。
【図25】各分極状態に対応するゲート電圧/ドレイン電流との関係を示す図である。
【図26】本発明の実施の形態3において用いられる強誘電体層の配向特性を示すX線回折パターンを示す図である。
【図27】本発明の実施の形態4において用いられるキャパシタ構成を示す図である。
【図28】本発明の実施の形態4において用いられる強誘電体層の配向特性を示すX線回折パターンを示す図である。
【符号の説明】
1 下電極、2,3 強誘電体層、4 上電極、6,7 ヒステリシス、11,12,13,14 安定分極点、15 中間電極、51 シリコン基板、52ソース/ドレイン領域、53 チャネル領域、54,55 強誘電体層、56ゲート電極、57,58,59,60 電荷、61,62,63,64 ドレイン電流−ゲート電圧関係、66,68 強誘電体層、67 異なる配向性の中間電極。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-valued information storage element, a method of using the same, and a method of manufacturing the same, and more specifically, to a multi-valued information storage element having high reliability and easy to be miniaturized, a method of using the same, and a method of manufacturing the same. .
[0002]
[Prior art]
In a conventional multilevel information storage element, two capacitors including a ferroelectric layer are arranged in parallel in a memory cell (for example, see Patent Document 1). In this multi-valued information storage element, the applied voltage for controlling the polarization state of each ferroelectric portion of the capacitors arranged in parallel is made common, and the two values of the positive and negative polarization directions in the ferroelectric portions of each capacitor are provided. Is stored. Then, by combining the data of the ferroelectric portions of the parallel capacitors, the multi-value information, that is, the ternary information in the above disclosure, is stored as the whole parallel capacitor.
[0003]
In another multivalued information storage element, a plurality of gate regions having a laminated structure of an insulating layer / a lower electrode layer / a ferroelectric layer / an upper electrode layer are formed on a substrate. The thickness of the ferroelectric layer is changed for each gate region by making the thickness of the lower electrode layer of each gate region different and forming a step structure (see Patent Document 2). Due to the step structure of the lower electrode layer, the thickness of the ferroelectric layer differs for each gate region, and a circuit configuration in which ferroelectric capacitors having different capacities are coupled in parallel can be obtained. This multi-valued information storage element exhibits a combined hysteresis characteristic having a shape having a number of polarization stable points corresponding to the number of gate regions. This makes it possible to multi-value the amount of information without increasing the cell area.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2001-24074 A
[0005]
[Patent Document 2]
JP 2001-94065 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The above-described conventional multilevel information storage element has a structure in which a parallel-connected capacitor in which ferroelectric layers are arranged in parallel is provided in a memory cell. When an element having such a structure is formed, a transfer and processing process for forming a step structure on the lower electrode is required, and there has been a problem that the number of steps in the entire process increases. In addition, there is a problem that it is difficult to process platinum as a material of a lower electrode used in a ferroelectric capacitor. Further, in the structure of the conventional multi-valued information storage element, there is a problem that the amount of remanent polarization decreases as the area of the capacitor decreases, and the possibility that the element malfunctions due to slight voltage fluctuation increases.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a multi-valued information storage element that is easy to process, suppresses the number of process steps, and is less likely to malfunction in operation control, a method of using the same, and a method of manufacturing the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A multi-valued information storage element of the present invention is a multi-valued information storage element that stores multi-valued information, wherein a first ferroelectric layer having a first coercive voltage is provided between two voltage applying units; A stacked ferroelectric structure in which a second ferroelectric layer having a second coercive voltage different from the first coercive voltage is stacked.
[0009]
With this configuration, by applying a pulse voltage (signal) of an appropriate shape to the laminated dielectric structure, a hysteresis characteristic having four stable points (stable polarization state) of remanent polarization is realized, and the multi-valued memory (4 Value) can be realized. In the above-mentioned multi-valued information storage element, complicated process steps such as step processing of a lower electrode and parallel formation of ferroelectric layers are not required, and the configuration is realized by stacking ferroelectric films having different coercive voltages. be able to.
[0010]
Further, it is not necessary to divide the region including the dielectric, and the area of the dielectric region is not reduced, so that the amount of residual polarization does not decrease. For this reason, the fluctuation of the polarization amount at the stable point is small, and the possibility that the element malfunctions even when the device is miniaturized is reduced.
[0011]
The above-mentioned two voltage applying units are such that one is a unit for applying a reference voltage, for example, a ground voltage, and the other is a unit for applying a predetermined driving voltage. The electrode need not always be a conductive electrode, and may be, for example, a semiconductor.
[0012]
In the above-described method of using the multi-valued information storage element, (a1) the voltage α having such a magnitude that both the polarization in the first and second ferroelectric layers is saturated in one direction is applied to the two voltage applying sections. (A2) After the application of the voltage α, a voltage β (> 0) having a magnitude such that the polarization of only one of the first and second ferroelectric layers is saturated and the other is not saturated in the direction opposite to the first direction. (A3) applying a voltage α in a direction opposite to the one direction so as to saturate both polarizations in the first and second ferroelectric layers; and (a4) applying a voltage in a direction opposite to the one direction. After the application of α, a voltage β is applied in a direction opposite to the one direction in which the polarization of only one of the first and second ferroelectric layers is saturated and the other is not saturated. (a1), (a1) a2), (a3) and (a4) any one of the voltage patterns is added, and then a zero potential When, (a1), (a2), (a3) and the four residual polarization remaining in correspondence with four kinds of voltage patterns addition of (a4), in matching 4 values.
[0013]
According to the above usage method, writing and reading of quaternary information can be performed with high reliability, despite the fact that a multi-level information storage element manufactured by a manufacturing method in which the number of manufacturing steps is suppressed without requiring complicated processing.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a capacitor part in the multi-valued information storage element according to the first embodiment of the present invention. The
[0016]
In FIG. 4, Va represents the potential at the intermediate point between the
[0017]
Next, the materials of the ferroelectric layer and the electrode will be described.
As the
[0018]
Next, a method of forming multi-value information by combining the above-described hysteresis characteristics will be described.
[0019]
FIG. 5 is a diagram for obtaining the amount of charge generated by applying a voltage to the
[0020]
In FIG. 5, when the potential of the
[0021]
By applying a pulse voltage of an appropriate shape, which will be described later, to both ends of the capacitor shown in FIG. 1, a combined hysteresis characteristic as shown in FIG. 6 can be realized. 6, the horizontal axis corresponds to the voltage applied to the
[0022]
Next, a method of writing quaternary information to the above-described capacitor will be described.
First, when writing in the P11 state, a relatively large positive voltage α (α> 0) as shown in FIG. 7C is applied between the
[0023]
8A and 8B, the charge amount Q generated between the
[0024]
Next, writing in the P01 state will be described. As shown in FIG. 9C, after applying a relatively large positive voltage α (α> 0), a negative voltage −β (β> 0) is applied. Here, β is a value in a range where the midpoint potential Va which is a voltage applied to the
[0025]
By applying the above-mentioned voltage −β, as shown in FIG. 9A, the
[0026]
When the pulse voltage application operation shown in FIGS. 9C and 9D is performed, the charge amount Q accumulated between the
[0027]
Next, a procedure for writing in the P00 state will be described. First, as shown in FIG. 11C, a relatively large negative voltage -α (α> 0) is applied between the
[0028]
When the charge amount Q accumulated between the
[0029]
Next, writing in the P10 state will be described. First, as shown in FIG. 13C, after applying a relatively large negative voltage −α (α> 0) between the
[0030]
By applying the voltage + β in the above range, the
[0031]
In the above case, a voltage large enough to saturate the
[0032]
When the amount of charge Q accumulated between the
[0033]
As can be seen from the above four-value information writing and reading methods, the two ferroelectric layers have a hysteresis curve in which a voltage range in which one ferroelectric layer is saturated and the other ferroelectric layer is not saturated. Needs to be present. For this reason, the coercive voltages of the two ferroelectric layers are different.
[0034]
According to the above-described method, four states P11, P01, P10, and P00 can be written by applying two voltage pulses having different magnitudes to the
[0035]
In the above configuration, the voltage pattern writing unit includes the
[0036]
By using a structure in which ferroelectric layers are stacked as shown in this embodiment, the formation process of a stacked ferroelectric layer structure can be simplified and the number of steps can be reduced as compared with a conventional multilevel memory. Can be. In addition, since it is not necessary to reduce the area of the laminated ferroelectric structure with the increase in the number of values, the possibility of malfunction of the element can be reduced. Therefore, it is also suitable for miniaturization.
[0037]
(Embodiment 2)
FIG. 15 is a diagram showing an MFSFET-type memory cell to which the multilevel information storage element according to the second embodiment of the present invention is applied. FIG. 16 is an equivalent circuit diagram in which the memory cells of FIG. 15 are arranged on word lines and bit lines. Referring to FIG. 15, on a
[0038]
In the above configuration, a pulse voltage pattern corresponding to the various pulse voltages of the first embodiment is applied to the
[0039]
Next, a writing method and a reading method will be specifically described. As described above, when the silicon substrate is of p conductivity type and the source and drain regions are of n conductivity type in FIG. 15, a voltage pattern corresponding to the pulse voltage shown in FIG. As shown in FIG. 17,
[0040]
In addition, when a voltage pattern corresponding to FIG. 9D is applied to the gate voltage, the charges 58 accumulated at the interface are smaller than the
[0041]
When a voltage pattern corresponding to FIG. 11D is applied to the gate voltage, the
[0042]
Further, when a voltage pattern corresponding to FIG. 13D is applied to the gate voltage, the
[0043]
The charge amount has a magnitude relationship of P11>P01>P10> P00. As described above, on the surface of the
[0044]
Therefore, the (drain current Id / gate voltage Vg) characteristic changes as shown in FIG. 25 depending on the polarity and magnitude of the charge appearing at the interface between the ferroelectric layer and the channel region. As shown in FIG. 25, by applying a
[0045]
In the present embodiment, referring to FIG. 16, the voltage pattern writing unit includes a
[0046]
As shown in this embodiment, by using a structure in which a ferroelectric layer is stacked on a silicon substrate, the formation process of the stacked ferroelectric layer structure is simplified and the number of steps is reduced as compared with a conventional multilevel memory. Can be achieved. In addition, since it is not necessary to divide the region of the laminated ferroelectric structure in accordance with the increase in the number of values, the possibility of a malfunction of the element can be reduced. Therefore, it is suitable for miniaturization.
[0047]
(Embodiment 3)
In order to realize the first and second embodiments of the present invention, different materials may be applied to the
[0048]
For example, as a ferroelectric material, Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 When a thin film is used, the crystal orientation of the film can be controlled and the coercive voltage can be changed by adjusting the rate of temperature rise in annealing under the crystallization annealing conditions after film formation. In FIG. 26, Pb (Zr) formed under the same film forming conditions for forming the ferroelectric layer and changing only the temperature increase rate in the annealing process after film formation. 0.5 , Ti 0.5 )
[0049]
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment of the present invention, as shown in FIG. 27, by applying a film having a different crystal orientation from the
[0050]
As described above, in realizing the first and second embodiments, even if a thin film in which the same kind of material is formed on the
[0051]
(Remarks to the embodiment)
1. In the above-described embodiment, it has been described that the two ferroelectric layers have different coercive voltages. However, a ferroelectric layer with a very strange hysteresis curve appears, and even with the same coercive voltage, there is a voltage range where one ferroelectric layer is saturated and the other ferroelectric layer is not saturated If two ferroelectric layers having such a hysteresis curve are obtained, the two ferroelectric layers included in the present invention are targeted.
2. In the above-described embodiment, an example has been described in which the two ferroelectric layers have the same composition and have different coercive voltages by different orientations. However, needless to say, by forming the two ferroelectric layers with different compositions, the coercive voltage may be different regardless of the orientation.
[0052]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is limited to these embodiments. Never. The scope of the present invention is shown by the description of the claims, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.
[0053]
【The invention's effect】
By using the multi-valued information storage element of the present invention, it is possible to obtain a multi-valued information storage element that is easy to process, suppresses an increase in the number of process steps, and is less likely to malfunction in operation control.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a capacitor in a multilevel information storage element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a hysteresis characteristic of one ferroelectric layer of the capacitor of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a hysteresis characteristic of the other ferroelectric layer of the capacitor of FIG.
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the capacitor of FIG.
FIG. 5 is a diagram for obtaining a charge amount and a divided voltage generated by applying a voltage to a
FIG. 6 is a diagram showing a combined hysteresis obtained by combining hysteresis of two ferroelectric layers of the capacitor shown in FIG. 1;
7A is a diagram showing a state where a voltage α is applied to a capacitor, with the horizontal axis representing a voltage between two ferroelectric layers, and FIG. (C) is a diagram showing a waveform of the voltage α, and (d) is a diagram showing a waveform after which the potential is set to zero potential.
8A is a diagram showing a state in which a voltage α is applied on the horizontal axis as a voltage applied to a capacitor, and FIG. 8B is a diagram showing a state in which the voltage α is thereafter set to zero potential.
9A is a diagram showing a state where a voltage α is applied to a capacitor and then a voltage −β is applied, with the horizontal axis representing a voltage between two ferroelectric layers, and FIG. It is a figure which shows the state which made zero electric potential, (c) is a figure which shows the waveform which applies voltage-(beta) after application of voltage (alpha), and (d) is a figure which shows the waveform which makes zero electric potential after that.
10A is a diagram showing a state where a voltage α is applied to a capacitor on the horizontal axis, and then a voltage α and then −β are applied, and FIG. 10B is a diagram showing a state where the voltage is then set to zero potential. .
11A is a diagram showing a state where a voltage -α is applied to a capacitor, with the horizontal axis representing a voltage between two ferroelectric layers, and FIG. It is a figure, (c) is a figure which shows the waveform which applies voltage-(alpha), and (d) is a figure which shows the waveform which makes zero electric potential after that.
12A is a diagram illustrating a state where a voltage −α is applied on the horizontal axis as a voltage applied to a capacitor, and FIG. 12B is a diagram illustrating a state where the potential is then set to zero potential.
13A is a diagram showing a state where a voltage −α is applied to a capacitor, and then a voltage β is applied, with the axis being a voltage between two ferroelectric layers, and FIG. It is a figure which shows the state made into electric potential, (c) is a figure which shows the waveform which applies voltage (beta) after voltage- (alpha) application, and (d) is a figure which shows the waveform which makes zero electric potential after that.
14A is a diagram showing a state in which a voltage -α and then β are applied on the horizontal axis as a voltage applied to a capacitor, and FIG. 14B is a diagram showing a state in which the potential is then set to zero potential; .
FIG. 15 is a diagram showing an MFSFET-type memory cell to which a multilevel information storage element according to a second embodiment of the present invention is applied.
FIG. 16 is an equivalent circuit diagram in which the memory cells of FIG. 15 are arranged on word lines and bit lines.
17 is a diagram showing electric charges accumulated between a channel region and a ferroelectric layer of the MFSFET type memory cell of FIG.
18 is a diagram showing polarization stable points corresponding to the polarization state in FIG.
19 is a diagram showing electric charges accumulated between the channel region and the ferroelectric layer of the MFSFET type memory cell of FIG.
20 is a diagram showing polarization stable points corresponding to the polarization state in FIG.
21 is a diagram showing electric charges stored between a channel region and a ferroelectric layer of the MFSFET type memory cell of FIG.
FIG. 22 is a diagram showing a polarization stable point corresponding to the polarization state in FIG. 21;
23 is a diagram showing electric charges accumulated between the channel region and the ferroelectric layer of the MFSFET type memory cell of FIG.
24 is a diagram showing polarization stable points corresponding to the polarization state in FIG.
FIG. 25 is a diagram showing a relationship between a gate voltage and a drain current corresponding to each polarization state.
FIG. 26 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern showing an orientation characteristic of a ferroelectric layer used in
FIG. 27 is a diagram showing a configuration of a capacitor used in a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 28 is an X-ray diffraction pattern showing the orientation characteristics of a ferroelectric layer used in
[Explanation of symbols]
1 lower electrode, 2,3 ferroelectric layer, 4 upper electrode, 6,7 hysteresis, 11, 12, 13, 14 stable polarization point, 15 intermediate electrode, 51 silicon substrate, 52 source / drain region, 53 channel region, 54, 55 ferroelectric layer, 56 gate electrode, 57, 58, 59, 60 charge, 61, 62, 63, 64 drain current-gate voltage relationship, 66, 68 ferroelectric layer, 67 intermediate electrode of different orientation .
Claims (10)
2つの電圧付加部の間に、第1の抗電圧を有する第1の強誘電体層と、前記第1の抗電圧と異なる第2の抗電圧を有する第2の強誘電体層とを積層した積層強誘電体構造を備える、多値情報記憶素子。A multi-valued information storage element that stores multi-valued information,
A first ferroelectric layer having a first coercive voltage and a second ferroelectric layer having a second coercive voltage different from the first coercive voltage are laminated between the two voltage applying units. Multi-valued information storage element having a laminated ferroelectric structure.
前記2つの電圧付加部に、(a1)一の方向に前記第1および第2の強誘電体層における分極がともに飽和する大きさの電圧α(>0)を印加する、(a2)前記一の方向に前記電圧αを印加した後、前記一の方向と逆方向に前記第1および第2の強誘電体層の一方のみの分極が飽和し他方は飽和しない大きさの電圧β(>0)を印加する、(a3)前記逆方向に前記電圧αを印加する、および(a4)前記逆方向に前記電圧αを印加した後、前記一の方向に前記電圧βを印加する、の(a1)、(a2)、(a3)および(a4)のいずれかの電圧パターン付加を行ない、その後、ゼロ電位としたときに、前記(a1)、(a2),(a3)および(a4)の4種類の電圧パターン付加にそれぞれ対応して残る4種類の残留分極を、4値情報とする、多値情報記憶素子の使用方法。A first ferroelectric layer having a first coercive voltage and a second ferroelectric layer having a second coercive voltage different from the first coercive voltage are stacked between the two voltage applying units. A method of using a multi-valued information storage element having a laminated ferroelectric structure,
(A1) applying, to the two voltage applying units, a voltage α (> 0) having a magnitude that saturates both the polarization in the first and second ferroelectric layers in one direction; After applying the voltage α in the direction of the first direction, the polarization of only one of the first and second ferroelectric layers is saturated in the direction opposite to the one direction, and the voltage β (> 0 (A3) applying the voltage α in the reverse direction, and (a4) applying the voltage α in the reverse direction, and then applying the voltage β in the one direction. ), (A2), (a3) and (a4), and when the potential is set to zero potential, the voltage pattern of (a1), (a2), (a3) and (a4) The remaining four types of remanent polarization corresponding to each type of voltage pattern addition are That, using the multi-value information storage element.
前記第1の強誘電体層を成膜した後に、アニールする際、第1の昇温速度で加熱する工程と、
前記第1の強誘電体層と同じ組成で第2の強誘電体層を成膜した後に、アニールする際、第2の昇温速度で加熱する工程とを備え、
前記第1の昇温速度と第2の昇温速度とが異なる、多値情報記憶素子の製造方法。A first ferroelectric layer having a first coercive voltage and a second ferroelectric layer having a second coercive voltage different from the first coercive voltage are stacked between the two voltage applying units. A method for manufacturing a multi-valued information storage element having a laminated ferroelectric structure,
After forming the first ferroelectric layer, when annealing, heating at a first temperature increasing rate;
After forming the second ferroelectric layer with the same composition as the first ferroelectric layer, when annealing, heating at a second temperature increasing rate;
A method for manufacturing a multi-valued information storage element, wherein the first temperature raising rate and the second temperature raising rate are different.
前記電圧付加部の1つの上に接して第1の強誘電体層を形成する工程と、
前記電圧付加部の1つと異なる配向特性を有する前記中間電極を形成する工程と、
前記中間電極の上に接して第2の強誘電体層を形成する工程とを備える、多値情報記憶素子の製造方法。A first ferroelectric layer having a first coercive voltage and a second ferroelectric layer having a second coercive voltage different from the first coercive voltage between the two voltage applying units; A method for manufacturing a multi-valued information storage element having a laminated ferroelectric structure laminated with electrodes interposed therebetween,
Forming a first ferroelectric layer on one of the voltage applying portions;
Forming the intermediate electrode having an orientation characteristic different from one of the voltage applying portions;
Forming a second ferroelectric layer in contact with the intermediate electrode.
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