JP2006066932A - Method of manufacturing semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電界効果型トランジスタのチャネル領域のポテンシャルを、強誘電体薄膜のヒステリシス特性を利用して変化させる構造を有する半導体記憶装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor memory device having a structure in which the potential of a channel region of a field effect transistor is changed using the hysteresis characteristics of a ferroelectric thin film.
従来より、ゲート中に強誘電体薄膜からなる不揮発性の記憶部を含む電界効果型トランジスタであって、例えばMFISFET,MFSFET,MFMISFETなどと呼ばれる電界効果型トランジスタ(以下、この明細書においては、「強誘電体FET」という)を備えた半導体記憶装置が知られている。 Conventionally, a field effect transistor including a nonvolatile memory portion made of a ferroelectric thin film in a gate, for example, a field effect transistor called MFISFET, MFSFET, MFMISFET, or the like (hereinafter referred to as “ 2. Description of the Related Art A semiconductor memory device including a “ferroelectric FET” is known.
図8は、従来のMFISFET型の強誘電体FETの断面図である。同図に示すように、従来の強誘電体FETは、シリコン基板101の上に設けられたシリコン酸化膜102と、シリコン酸化膜102の上に設けられたジルコン−チタン酸鉛(PZT)またはタンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)などの金属酸化物からなる強誘電体膜103と、Ptなどの導体材料からなるゲート電極104と、シリコン基板101内におけるゲート電極104の両側方にそれぞれ設けられたソース領域105及びドレイン領域106とを備えている。そして、シリコン基板101のうちシリコン酸化膜102の下方に位置する領域がチャネル領域となっている。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional MFISFET type ferroelectric FET. As shown in the figure, a conventional ferroelectric FET includes a
図8に示す構造において、強誘電体膜103中には、ゲート電極−シリコン基板間に印加される電圧の極性に応じて、上向き(上方が正極となるダイポールモーメントが生じている状態)または下向き(下方が正極となるダイポールモーメントが生じている状態)の分極が生じ、電圧の印加を停止した後も分極が残留するというヒステリシス特性を有している。そして、ゲート電極104に電圧が印加されていない状態では、この相異なる2種類の残留分極の状態に対応して、強誘電体FETのチャネル領域107は、そのポテンシャルの深さが相異なる2つの状態にある。一方、強誘電体FETのソース−ドレイン間の抵抗値は、チャネル領域107のポテンシャルの深さに応じて変化する。したがって、強誘電体膜103の2種類の残留分極状態に応じて、ソース−ドレイン間の抵抗は高い値と低い値とのいずれかに定まり、このソース−ドレイン間の抵抗が相異なる2種類の値のいずれかを示す状態は、強誘電体膜103の残留分極の状態が保持される限り保持(記憶)される。したがって、強誘電体FETを用いて不揮発性メモリデバイスを構成することができる。
In the structure shown in FIG. 8, the
ここで、従来の強誘電体FETを用いた不揮発性メモリデバイスにおいては、たとえば強誘電体膜103中に下向きの残留分極が生じている状態をデータ“1”に、強誘電体膜103中に上向きの残留分極が生じている状態をデータ“0”にそれぞれ対応させている。強誘電体膜103中に下向きの残留分極を生じさせるには、たとえばシリコン基板101の裏面部を接地電位として、ゲート電極104に正の電圧を印加した後、ゲート電極104の電圧を接地電位に戻す。また、強誘電体膜103中に上向きの残留分極を生じさせるには、たとえばシリコン基板101の裏面部を接地電位として、ゲート電極104に負の電圧を印加した後、ゲート電極104の電圧を接地電位に戻す。
Here, in the conventional nonvolatile memory device using the ferroelectric FET, for example, a state in which downward remanent polarization is generated in the
図9(a),(b),(c)は、それぞれ順に、強誘電体膜103中における残留分極が下向き,上向き及びほぼ0の時のゲート電極104,強誘電体膜103,シリコン酸化膜102及びチャネル領域107を通過する断面におけるエネルギーバンド状態を示すエネルギーバンド図である。図9(a)〜(c)においては、シリコン基板101をP型基板とし、ソース領域105およびドレイン領域106をN型半導体領域としている。図9(a),(b)中の矢印は強誘電体の分極の方向を表す。
FIGS. 9A, 9B, and 9C show, in order, the
図9(a)に示す状態を得るには、シリコン基板101に対してゲート電極104に正の電圧を印加する。このゲート電極104とシリコン基板101との間の強誘電体膜103およびシリコン酸化膜102には、ゲート電極104とシリコン基板101との間に印加された電位差がある比率で配分される。このとき、強誘電体膜103に配分される電位差が強誘電体膜103の分極反転電圧より大きくなるようにゲート電極104に電圧を印加すれば、強誘電体膜3の分極は下向きになる。そして、印加電圧を除去してゲート電極104を接地電圧に戻すと、図9(a)に示すように、下向きの残留分極が生じる。残留分極が下向き(データ“1”の状態)のときには、強誘電体膜103の下端部に誘起された正極と上端部に誘起された負極との間に生じる電界によって、強誘電体膜103,シリコン酸化膜102及びチャネル領域107のエネルギーバンドが図9(a)に示すように曲げられる。このとき、チャネル領域107のシリコン酸化膜102との界面付近の領域が負イオン化して空乏層が基板深くまでひろがり、チャネル領域107のシリコン酸化膜102との界面付近の領域のポテンシャルが接地電位よりも低くなる。つまり、いわゆる反転層が形成される。
To obtain the state shown in FIG. 9A, a positive voltage is applied to the
一方、図9(b)に示す状態を得るには、シリコン基板101に対してゲート電極104に強誘電体膜103に配分される電位差が強誘電体の分極反転電圧より大きくなるような負の電圧を印加する。この場合は、電圧の印加を停止してゲート電極104を接地電位に戻すと、図9(b)に示すように、強誘電体膜103に下向きの残留分極が生じる。残留分極が上向き(データ“0”の状態)のときには、強誘電体膜103の下端部に誘起された負極と上端部に誘起された正極とによって生じる電界によって、強誘電体膜103及びシリコン酸化膜102及びチャネル領域107のエネルギーバンドが曲げられるが、チャネル領域107のシリコン酸化膜102との界面付近の領域には多数キャリアである正孔が蓄積されるので、空乏層は形成されず、チャネル領域107のポテンシャルが接地電位にほぼ等しくなる。
On the other hand, in order to obtain the state shown in FIG. 9B, a negative potential difference in which the potential difference distributed to the
このように、残留分極の向きによってチャネル領域107の界面付近の領域のポテンシャルが相異なるので、N型半導体領域であるソース領域105とドレイン領域106との間に電位差を与えると、残留分極の向きによって流れる電流値が相異なることになる。すなわち、チャネル領域107のポテンシャルが接地電位よりも低くなったデータ“1”の状態においては、チャネル領域107に反転層が形成されることから、ソース−ドレイン間は低抵抗状態(ON状態)にあり大きな電流が流れる。一方、チャネル領域107のポテンシャルが接地電位であるデータ“0”の状態においては、チャネル領域には反転層が形成されないことから、ソース−ドレイン間は高抵抗状態(OFF状態)にあり電流はほとんど流れない。このようにして、ソース−ドレイン間の電流値を測定すれば、その電流値の大小によって強誘電体FETがデータ“1”の状態にあるかデータ“0”の状態にあるかを知ることができる。
As described above, since the potential of the region near the interface of the
このように、一つの強誘電体FETのデータ状態を読み出すにおいては、基本的には、ソース−ドレイン間に電位差を与えるのみでゲート電極104にバイアスを印加する必要はない。すなわち、強誘電体FETのON状態はMOSトランジスタのデプレッション状態に相当することによる。
As described above, in reading the data state of one ferroelectric FET, basically, it is not necessary to apply a bias to the
しかしながら、上記従来の強誘電体FETにおいては、以下のような不具合があった。 However, the conventional ferroelectric FET has the following problems.
図10は、本発明の発明者達が調べた強誘電体FETのゲート電極104への印加電圧Vgとソース−ドレイン間の電流Idsとの関係を示す特性図である。同図に示すように、ゲート電極104への印加電圧を0にしてデータを読み出す際に、データ“1”の状態とデータ“0”の状態とにおける電流差ΔI1が小さい。これは、図9(a)に示すように、ゲート電極104に電圧が印加されていない状態では、チャネル領域107に弱い反転層しか形成されないためと考えられる。その結果、強誘電体膜103の分極状態が経時的に変化したときなど、データ“1”の状態とデータ“0”の状態とを確実に区別して読み出すことが困難となるおそれがあった。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the voltage Vg applied to the
また、上記とは別の不具合として、データ“1”あるいはデータ“0”のいずれを保持しても、これらを長期間保存すると、保持されたデータに対応する分極の方向にヒステリシス曲線が偏っていくインプリントという現象が現れることがあった。これは、長期間1つの分極状態にあった強誘電体膜103において、保持されているデータに対応する分極を反転させるための抗電圧が減少してその分極状態が生じやすくなる一方、その分極とは逆極性の分極を反転させるための抗電圧が増大して逆極性の分極が生じにくくなるためである。このインプリント現象の結果、長期間あるデータに保持されていた強誘電体FETの強誘電体膜103の残留分極値は初期の残留分極値とは異なることになるので、長期間あるデータを保持した後に読み出されたデータの信号レベル(読み出し電流値)は初期の信号レベル(読み出し電流値)とは異なっているおそれがあった。
Further, as a problem different from the above, even if data “1” or data “0” is retained, if they are stored for a long period of time, the hysteresis curve is biased in the direction of polarization corresponding to the retained data. The phenomenon of imprinting sometimes appeared. This is because, in the
本発明の目的は、電界効果型トランジスタのチャネル領域のポテンシャルを、強誘電体薄膜のヒステリシス特性を利用して変化させる構造を有しながら、高い読み出し精度を維持しうる半導体記憶装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor memory device capable of maintaining high read accuracy while having a structure in which the potential of the channel region of a field effect transistor is changed using the hysteresis characteristics of a ferroelectric thin film. It is to provide.
本発明の半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上に設けられた強誘電体膜及びゲート電極と、上記半導体基板内のゲート電極の両側方に設けられたソース領域及びドレイン領域とを有し、上記強誘電体膜は、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する正の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第1の分極と、上記ゲート電極から上記半導体基板に対する負の電圧に応じて上記強誘電体膜に生じる第2の分極とを生じうるように構成された電界効果トランジスタを備えたメモリセルを形成する工程(a)と、上記強誘電体膜にデータ読み出しのために印加される電圧と同じ極性の電圧を印加した後、この電圧を解除して上記強誘電体膜中に第1の分極を残留させる工程(b)と、上記強誘電体膜を一定時間の間加熱することにより、上記強誘電体膜のヒステリシス特性を上記第1の分極を上記第2の分極に反転させるのに必要な抗電圧が増大する方向に偏位させて、上記強誘電体膜のヒステリシス特性を非対称とする工程(c)とを含んでいる。 A method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention includes a ferroelectric film and a gate electrode provided on a semiconductor substrate, and a source region and a drain region provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. The ferroelectric film has a first polarization generated in the ferroelectric film according to a positive voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate, and a negative voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate. A step (a) of forming a memory cell including a field effect transistor configured to generate a second polarization generated in the ferroelectric film, and applied to the ferroelectric film for reading data; (B) after applying a voltage having the same polarity as the voltage and releasing the voltage to leave the first polarization in the ferroelectric film; and heating the ferroelectric film for a certain period of time. By the above A step of making the hysteresis characteristics of the ferroelectric film asymmetric by shifting the hysteresis characteristics of the dielectric film in a direction in which the coercive voltage necessary to invert the first polarization to the second polarization is increased; (C).
この方法により、予め強誘電体膜中の分極状態が第1の論理値の側にインプリントされるので、データの読み出しの際に第1論理値のデータと第2論理値のデータとを区別することが容易になる。 By this method, since the polarization state in the ferroelectric film is imprinted in advance on the first logic value side, the data of the first logic value and the data of the second logic value are distinguished at the time of data reading. Easy to do.
上記工程(b)の後、上記強誘電体膜に残留している第1の分極を消去する工程をさらに含むことができる。 After the step (b), the method may further include a step of erasing the first polarization remaining in the ferroelectric film.
本発明によれば、電界効果型トランジスタのチャネル領域のポテンシャルを、強誘電体薄膜のヒステリシス特性を利用して変化させる構造を有しながら、高い読み出し精度を維持しうる半導体記憶装置の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor memory device capable of maintaining high read accuracy while having a structure in which the potential of the channel region of a field effect transistor is changed using the hysteresis characteristics of a ferroelectric thin film. Can be provided.
(第1の実施形態)
−強誘電体FETの構造−
図1は、本発明の第1の実施形態のMFIS構造の強誘電体FETの断面図である。同図に示すように、強誘電体FETは、シリコン基板11の上に設けられたシリコン酸化膜12と、シリコン酸化膜12の上に設けられたジルコン−チタン酸鉛(PZT)またはタンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)などの金属酸化物からなる強誘電体膜13と、強誘電体膜13の上に設けられたPtなどの導体材料からなるゲート電極14と、シリコン基板11内におけるゲート電極14の両側方にそれぞれ設けられたソース領域15及びドレイン領域16とを備えている。そして、シリコン基板11のうちシリコン酸化膜12の下方に位置する領域がチャネル領域17となっている。
(First embodiment)
-Structure of ferroelectric FET-
FIG. 1 is a cross-sectional view of a ferroelectric FET having an MFIS structure according to a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the ferroelectric FET includes a
図1に示す構造において、強誘電体膜13中には、ゲート電極−シリコン基板間に印加される電圧の極性に応じて、上向き(上方が正極となるダイポールモーメントが生じている状態)または下向き(下方が正極となるダイポールモーメントが生じている状態)の分極が生じ、電圧の印加を停止した後も分極が残留するというヒステリシス特性を有している。そして、ゲート電極14に電圧が印加されていない状態では、この相異なる2種類の残留分極の状態に対応して、強誘電体FETのチャネル領域17は、そのポテンシャルの深さが相異なる2つの状態にある。一方、強誘電体FETのソース−ドレイン間の抵抗値は、チャネル領域17のポテンシャルの深さに応じて変化する。したがって、強誘電体膜13の2種類の残留分極状態に応じて、ソース−ドレイン間の抵抗は高い値と低い値とのいずれかに定まり、このソース−ドレイン間の抵抗が相異なる2種類の値のいずれかを示す状態は、強誘電体膜13の残留分極の状態が保持される限り保持(記憶)される。したがって、強誘電体FETを用いて不揮発性メモリデバイスを構成することができる。たとえば、強誘電体膜13に下向きの残留分極が生じている状態をデータ“1”(第1論理値)とし、強誘電体膜13に上向きの残留分極が生じている状態をデータ“0”(第2論理値)として、強誘電体FETをメモリセルとして用いることができる。
In the structure shown in FIG. 1, the
しかし、すでに従来の技術について説明したように、ゲート電極14にバイアスを印加せずにデータの読み出しを行なう方法では、データ“1”の状態とデータ“0”の状態とで読み出し電流の差ΔI1が小さい(図10参照)。そこで、本実施形態においては、読み出し時にゲート電極14にバイアスを印加することを前提とする。
However, as already described in the related art, in the method of reading data without applying a bias to the
−ゲートバイアスの設定方法−
図2は、本実施形態の読み出し時におけるゲートバイアス(ゲート電極13に印加する電圧)ΔVgの設定方法を説明するための図である。すでに説明した図10に示すような強誘電体FETのソース−ドレイン間電流Idsのゲートバイアス依存特性において、データ“1”の状態とデータ“0”の状態とにおける読み出し電流の差がほぼ最大値ΔI2となるゲートバイアスVgの値をΔVgとする。ここで、本実施形態においては、読み出し時におけるゲート電圧Vgを0からΔVgだけずれた位置に設定している。言い換えると、読み出し信号のS/N比を上げるためにΔVgのオフセット電圧をゲート電極14に印加することになる。
-Gate bias setting method-
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of setting the gate bias (voltage applied to the gate electrode 13) ΔVg at the time of reading in the present embodiment. In the gate bias dependence characteristics of the source-drain current Ids of the ferroelectric FET as already described with reference to FIG. 10, the difference between the read currents in the data “1” state and the data “0” state is almost the maximum value. The value of the gate bias Vg that becomes ΔI2 is assumed to be ΔVg. Here, in the present embodiment, the gate voltage Vg at the time of reading is set to a position shifted from 0 by ΔVg. In other words, an offset voltage of ΔVg is applied to the
−ディスターブ現象−
しかし、この方法によると、読み出し動作時には、強誘電体FETのゲート電極14に必ずオフセット電圧ΔVgが印加されることになる。たとえば正のオフセット電圧ΔVgをゲート電極に印加すると、残留分極が下向き(データ“1”の状態)である場合は、残留分極の方向がゲートバイアスの電界によって誘起される分極方向に一致するので、その分極状態はゲートバイアスによる影響は受けない。しかし、残留分極が上向き(データ“0”の状態)のときには、残留分極の方向とゲートバイアスの電界によって誘起される分極の方向とが逆になるので、ゲート電極へのオフセット電圧ΔVgの印加によって、強誘電体膜中の残留分極は少し弱くなる。さらに、読み出し動作を繰り返すと、ゲート電極にオフセット電圧ΔVgを印加する毎に少しづつ強誘電体膜中の残留分極が弱くなり、最終的には、図9(c)に示すように、強誘電体膜中の残留分極がほぼゼロになる。このように、残留分極を弱める方向の電界を与える電圧をゲート電圧に繰り返し印加することによってデータが消失していく現象をディスターブ現象という。
−Disturbance phenomenon−
However, according to this method, the offset voltage ΔVg is always applied to the
図11は、このディスターブ現象を説明するためのヒステリシス特性図である。図11において、縦軸は下向きの分極を正方向として表された分極の強さを表し、横軸はゲート電極に印加する電圧(ゲートバイアス)を表している。同図に示すように、初期状態では、下向き(データ“1”の状態)の分極状態はヒステリシス曲線中のA点にあり、上向き(データ“0”の状態)の分極状態はB点にある。分極状態がA点又はB点にある強誘電体膜のゲート電極114に正のゲートバイアスを印加すると、以下のような挙動を示す。分極状態がA点にある場合は、ゲートバイアスが抗電圧より小さくても、分極状態がヒステリシス曲線に沿ってA点からA’点に移動し、その後、読み出しが終了してゲートバイアスがゼロに戻ると、A’点にある分極状態はふたたびA点に戻る。一方、分極状態がB点にある場合は、ゲートバイアスが抗電圧より小さくても、分極状態がヒステリシス曲線に沿ってB点からB’点に移動し、その後、読み出しが終了してゲートバイアスがゼロに戻っても、B’点にある分極状態はB点にはもはや戻らず、B”点に移動する。つまり、上向きの分極はゲート電極にオフセット電圧ΔVg(ゲートバイアス)を印加することによって少し小さくなる。したがって、読み出し動作を繰り返すと、図11の点線に示すように、上向きの分極はだんだん小さくなり、最終的にはほぼ消失する。 FIG. 11 is a hysteresis characteristic diagram for explaining the disturb phenomenon. In FIG. 11, the vertical axis represents the intensity of polarization expressed with the downward polarization as the positive direction, and the horizontal axis represents the voltage (gate bias) applied to the gate electrode. As shown in the figure, in the initial state, the downward polarization state (data “1” state) is at point A in the hysteresis curve, and the upward polarization state (data “0” state) is at point B. . When a positive gate bias is applied to the gate electrode 114 of the ferroelectric film whose polarization state is at the point A or B, the following behavior is exhibited. When the polarization state is at the point A, even if the gate bias is smaller than the coercive voltage, the polarization state moves from the point A to the point A ′ along the hysteresis curve. When returning, the polarization state at the point A ′ returns to the point A again. On the other hand, when the polarization state is at point B, even if the gate bias is smaller than the coercive voltage, the polarization state moves from point B to point B 'along the hysteresis curve. Even if it returns to zero, the polarization state at point B ′ no longer returns to point B, but moves to point B ″. In other words, upward polarization is applied by applying an offset voltage ΔVg (gate bias) to the gate electrode. Therefore, when the reading operation is repeated, the upward polarization gradually decreases as shown by the dotted line in FIG.
そして、ディスターブ現象によって分極が消失してゆくと、従来の強誘電体FETにおいては、データ“0”を保持していた強誘電体FETのチャネル領域のポテンシャルは、図9(c)に示すように、データ“1”のポテンシャルに近づくように変化するため、データ“0”の状態に対応するソース・ドレイン間電流Idsがその初期値から次第に変化していくという読み出し回路の設計上好ましくない現象を呈する。 When the polarization disappears due to the disturb phenomenon, the potential of the channel region of the ferroelectric FET that retains the data “0” in the conventional ferroelectric FET is as shown in FIG. In addition, since it changes so as to approach the potential of the data “1”, the source-drain current Ids corresponding to the state of the data “0” gradually changes from its initial value, which is an undesirable phenomenon in the design of the readout circuit. Presents.
−読み出し方法−
一方、本実施形態においては、強誘電体FETを読み出す際に、強誘電体膜13に下向きの分極を与える方向のオフセット電圧ΔVgをゲート電極14に印加するようにしているので、データを読み出す際におけるチャネル領域17の表面付近におけるポテンシャルは、従来の強誘電体FETとは、以下に説明するように異なっている。
-Reading method-
On the other hand, in the present embodiment, when reading the ferroelectric FET, the offset voltage ΔVg in the direction of applying downward polarization to the
図3(a),(b),(c)は、それぞれ順に、強誘電体膜13中における残留分極が下向き,上向き及びほぼ0の時のゲート電極14,強誘電体膜13,シリコン酸化膜12及びチャネル領域17を通過する断面に生じる読み出し時のエネルギーバンド状態を示すエネルギーバンド図である。図3(a)〜(c)においては、シリコン基板11をP型基板とし、ソース領域15およびドレイン領域16をN型半導体領域としている。図3(a),(b)中の矢印は強誘電体の残留分極の方向を表す。
FIGS. 3A, 3B, and 3C show the
本実施形態においても、強誘電体膜13に分極を生じさせる手順は、従来技術と変わらないので、ゲート電極14に電圧を印加しない状態では、ゲート電極14,強誘電体膜13,シリコン酸化膜12及びチャネル領域17を通過する断面におけるエネルギーバンド状態は、図9(a)〜(c)に示すとおりである。
Also in the present embodiment, the procedure for causing polarization in the
一方、データの読み出し時には、図1に示す構造を有する強誘電体FETにおいて、シリコン基板11に対してゲート電極14にオフセット電圧ΔVgを印加する。このとき、ゲート電極14とシリコン基板11との間の強誘電体膜13及びシリコン酸化膜12には、ゲート電極14とシリコン基板11との電位差ΔVgがある比率で配分される。
On the other hand, when reading data, an offset voltage ΔVg is applied to the
そして、図3(a)に示すように、残留分極が下向き(データ“1”の状態)のときには、ゲート電極14に印加されるオフセット電圧ΔVgによって分極がさらに強まるので、強誘電体膜13の下端部に誘起された正極によって、強誘電体膜13,シリコン酸化膜12及びチャネル領域17のエネルギーバンドが図3(a)に示すように曲げられる。また、チャネル領域17のシリコン酸化膜12との界面付近の領域が強く負イオン化して空乏層が基板深くまでひろがり、チャネル領域17のシリコン酸化膜12との界面付近の領域のポテンシャルが接地電位よりも低くなる。つまり、強い反転層が形成され、強誘電体FETはオン状態の電流値を示す。
As shown in FIG. 3A, when the remanent polarization is downward (data “1” state), the polarization is further enhanced by the offset voltage ΔVg applied to the
一方、図3(b)に示すように、残留分極が上向き(データ“0”の状態)のときには、ゲート電極14に印加されるオフセット電圧ΔVgによって分極が弱くなるので、強誘電体膜13に誘起される負極の強さが減少する。そして、強誘電体膜13,シリコン酸化膜12及びチャネル領域17のエネルギーバンドが図3(b)に示すように曲げられ、チャネル領域17のシリコン酸化膜12との界面付近の領域のポテンシャルが低くなるので、チャネル領域17に弱い反転層が形成される。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the remanent polarization is upward (data “0” state), the polarization is weakened by the offset voltage ΔVg applied to the
また、図3(c)に示すように、ディスターブによって残留分極が消失したときには、ゲート電極14に印加されるオフセット電圧ΔVgによって、強誘電体膜13,シリコン酸化膜12及びチャネル領域17のエネルギーバンドが図3(c)に示すように曲げられる。このとき、チャネル領域17のシリコン酸化膜12表面との界面付近の領域における伝導帯端のポテンシャルが下方に曲げられるので、チャネル領域17に図3(b)に示すよりもやや強い反転層が形成される。
Further, as shown in FIG. 3C, when the residual polarization disappears due to the disturbance, the energy band of the
このように、残留分極の向きによってチャネル領域17の表面付近の領域のポテンシャルが相異なるので、N型半導体領域であるソース領域15とドレイン領域16との間に電位差を与えると、残留分極の向きによって流れる電流値が相異なることになる。
Thus, the potential of the region near the surface of the
すなわち、図3(a)に示す状態をデータ“1”とすると、この状態においては、強い反転層が形成されることから、ソース−ドレイン間は低抵抗状態にあり、図2の点yにおける大電流が流れる。一方、図3(b)に示す状態をデータ“0”とすると、この状態においては、ソース−ドレイン間は比較的高抵抗の状態にあることから、図2の点wにおける小さい電流が流れる。このようにして、ソース−ドレイン間の電流値を測定すれば、その電流値の大小によって強誘電体FETがデータ“1”の状態にあるかデータ“0”の状態にあるかを知ることができる。 That is, if the state shown in FIG. 3A is data “1”, a strong inversion layer is formed in this state, so that the source-drain state is in a low resistance state, and at the point y in FIG. A large current flows. On the other hand, if the state shown in FIG. 3B is data “0”, a small current flows at a point w in FIG. 2 because the source and drain are in a relatively high resistance state in this state. By measuring the current value between the source and the drain in this way, it is possible to know whether the ferroelectric FET is in the data “1” state or the data “0” state depending on the magnitude of the current value. it can.
また、図3(c)に示す状態では、強誘電体膜13中の分極がほぼ0になり、図3(b)に示すよりもやや強い反転層が形成されることから、図2の点vにおける中間的な電流が流れる。この電流値は、点yにおける電流値よりも十分小さいことから、点wと点vとにおける電流値を区別して検知することは比較的容易である。
Further, in the state shown in FIG. 3C, the polarization in the
−データの論理値の設定方法−
そこで、本実施形態の強誘電体FETを用いた不揮発性メモリデバイスにおいては、ゲート電極14にオフセット電圧(ゲートバイアス)ΔVgを印加して読み出しを行なうとともに、図11に示すヒステリシス特性のディスターブによる変化において、分極が上向きの状態(図3(b)に示す状態)のときの電流値(図2の点wにおける電流値)からディスターブによって分極が0になった状態(図3(c)に示す状態)の時の電流値(図2の点vにおける電流値)までの範囲をデータ“0”と判定する。具体的には、図2の点vにおける電流値以下の電流値を示す状態をデータ“0”と判定すればよい。分極が下向きの状態(図3(a)に示す状態)のときの電流値(図2の点yにおける電流値)を“1”とすることは従来とおなじである。
-Data logical value setting method-
Therefore, in the nonvolatile memory device using the ferroelectric FET of the present embodiment, reading is performed by applying an offset voltage (gate bias) ΔVg to the
表1は、従来の強誘電体FETと、本実施の形態における強誘電体FETについて、その論理状態と分極との対応をソース−ドレイン間の抵抗で比較して示したものである。 Table 1 shows the correspondence between the logic state and the polarization of the conventional ferroelectric FET and the ferroelectric FET according to the present embodiment by comparing the resistance between the source and the drain.
なお、本実施形態においては、メモリセルである強誘電FETにおいて、強誘電体膜13に下向きの残留分極が生じている状態をデータ“1”とし、強誘電体膜13に上向きの残留分極が生じている状態又は残留分極がほぼ0の状態をデータ“0”としたが、下向きの残留分極が生じている状態又は分極がほぼ0の状態をデータ“0”とし、上向きの残留分極が生じている場合をデータ“1”としてもよい。
In the present embodiment, in the ferroelectric FET as a memory cell, the state in which the downward residual polarization is generated in the
また、いずれの状態をデータ“0”又はデータ“1”とするかは任意であるので、本実施形態におけるメモリセルである強誘電FETにおいて、強誘電体膜13に下向きの残留分極が生じている状態をデータ“0”とし、強誘電体膜13に上向きの残留分極が生じている状態又は残留分極がほぼ0の状態をデータ“1”としてもよいことは言うまでもない。
In addition, since it is arbitrary which state is set to data “0” or data “1”, a downward remanent polarization is generated in the
なお、シリコン酸化膜12は必ずしもなくてもよい。
The
また、表1の(本実施形態(2))に示すように、ビルトインポテンシャルを適宜調整することにより、残留分極が上向き又は消失した状態ではゲート電極14にバイアス電圧を印加しても強誘電体FETのソース・ドレイン間電流Idsが流れず(オフ状態)、残留分極が下向きのときのみ電流が流れる(オン状態)ように調整することも可能である。この場合にも、従来の方法とは異なり、データの読み出し時において、分極が下向きの状態(データ“1”)のときには電流Idsを大きく確保することができるので、分極がゼロ又は上向きの状態(データ“0”のときの電流(ゼロ)との区別が曖昧になることはない。
Further, as shown in Table 1 (the present embodiment (2)), by adjusting the built-in potential as appropriate, even if a bias voltage is applied to the
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態における半導体記憶装置のメモリセルの断面図である。本実施形態における半導体記憶装置のメモリセルは、いゆわるMFMIS構造を有する強誘電体FETと考えられる。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view of a memory cell of a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. The memory cell of the semiconductor memory device in this embodiment is considered to be a ferroelectric FET having a so-called MFMIS structure.
強誘電体FETは、P型のシリコン基板11の上に設けられたシリコン酸化膜12(ゲート絶縁膜)と、シリコン酸化膜12の上に設けられたポリシリコンなどの導体材料からなる第1中間ゲート電極18と、シリコン基板11内における第1中間ゲート電極18の両側方にそれぞれ設けられたN型のソース領域15及びドレイン領域16とを備えている。そして、シリコン基板11のうちシリコン酸化膜12の下方に位置する領域がチャネル領域17となっている。また、Ptなどからなる第2中間ゲート電極21と、第2中間ゲート電極21の上に設けられたジルコン−チタン酸鉛(PZT)またはタンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)などの金属酸化物からなる厚みが約200nmの強誘電体膜22と、強誘電体膜22を挟んで第2中間ゲート電極21に対向するように設けられたPtなどの導体材料からなる制御ゲート電極23とを備えている。また、制御ゲート電極23は第1の配線25に接続され、第1中間ゲート電極18及び第2中間ゲート電極21は共通の第2の配線26に接続されている。
The ferroelectric FET includes a silicon oxide film 12 (gate insulating film) provided on a P-
この構造は、第1中間ゲート電極18と第2中間ゲート電極21とを一体として考えると、図1に示す強誘電体FETにおいて、強誘電体13とシリコン酸化膜12との間に、中間ゲート電極として第1中間ゲート電極18及び第2中間ゲート電極21を設けたもの,つまりMFMISFETと捉えることができる。ただし、第1中間ゲート電極18と第2中間ゲート電極21とは一体化されていてもよいし、図4に示すように、第1中間ゲート電極18と第2中間ゲート電極21とが個別に設けられていてもよい。
In this structure, when the first
ここで、強誘電体膜22の材料がSBTで、膜厚が約200nmとした場合、強誘電体膜22の抗電圧はおよそ1Vとなる。
Here, when the material of the
第1の実施形態の強誘電体FETと比較して、本実施形態の強誘電体FETの構造上の特徴は、本実施形態においては、強誘電体膜22の分極状態を変化させるために必要な電圧を、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25と第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26とによって直接印加できるように構成されている点と、第1中間ゲート電極18の電位を、読み出し動作前に第2の配線26によって確定できるように構成されている点にある。
Compared with the ferroelectric FET of the first embodiment, the structural features of the ferroelectric FET of this embodiment are necessary for changing the polarization state of the
また、第1の実施形態の強誘電体FETである強誘電体FETと比較して、本実施形態の強誘電体FETの動作上の特徴は、本実施形態においては、データの書き込みにおいて、強誘電体膜22に下向きの残留分極(データ“1”)を生じさせるように書き込むときと、強誘電体膜22に上向きの残留分極(データ“0”)を生じさせるように書き込むときとでは、それぞれ強誘電体膜22に印加される電圧の絶対値が異なる点にある。
In addition, compared with the ferroelectric FET that is the ferroelectric FET of the first embodiment, the operational characteristics of the ferroelectric FET of the present embodiment are that in the present embodiment, in the data writing, When writing so as to generate downward residual polarization (data “1”) in the
本実施形態においては、強誘電体FETにおけるエネルギーバンド構造の図示は省略するが、図4に示す構造において第1中間ゲート電極18と第2中間ゲート電極21とが一体化されているものとすると、図3(a)〜(c)に示すエネルギーバンド図において、強誘電体膜13−シリコン酸化膜12間に導体部材を介在させたものにすぎないので、データの読み出し動作は第1の実施形態と同様に考えることができる。ただし、強誘電体膜22の分極を生じさせる際には、制御ゲート電極23−第2中間ゲート電極21間に電圧を印加する点が第1の実施形態とは異なる。
In this embodiment, although the illustration of the energy band structure in the ferroelectric FET is omitted, it is assumed that the first
図5は、本実施形態におけるデータの書き込み動作を電圧−分極座標上で説明するためのヒステリシス特性図である。図5において、横軸は制御ゲート23−第2中間ゲート電極21間に印加する電圧を表し、縦軸は、強誘電体膜22に生じる分極を下向き方向を正として表している。なお、以下の説明においては、シリコン基板11の電位は常に接地電位であるとしている。
FIG. 5 is a hysteresis characteristic diagram for explaining the data writing operation in the present embodiment on the voltage-polarization coordinates. In FIG. 5, the horizontal axis represents the voltage applied between the
図5に示すように、データが書き込まれる前の強誘電体膜22の分極はほぼゼロであるので、分極状態は原点Oの近傍にある。この強誘電体膜22にデータ“1”を書き込むには、たとえば第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26を接地電位とし、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25に3Vの電圧を印加すると、分極状態は原点Oから点a”まで実線に沿って移動する。そののち、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25を接地電位とすると、分極状態は点a”から点aに移動し、強誘電体膜22には電圧ゼロの状態で約10μC/cm2 の電荷(残留分極)がデータ“1”として保持される。
As shown in FIG. 5, since the polarization of the
続いて、データ“1”をデータ“0”に書き換えるには、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25に、分極状態を飽和状態まで反転させるために必要な電圧−3Vを印加するのではなく、約−1Vの電圧を印加する。つまり、本発明では、分極による電荷が負の飽和状態(約−10μC/cm2 )からほぼ0(約0μC/cm2 )までをデータ“0”と定義するので、当初からデータ“0”としての分極をおよそ0μC/cm2 に設定できれば十分である。そこで、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25に電圧約−1Vを印加すると、図5に示す軌跡のように、分極状態は点aから点b’まで移動する。この動作は、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25を接地電位とし、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26に電圧1Vを与えることによっても実現される。そののち、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25を接地電位とすると、分極状態は点b’から点bに移動し、電圧ゼロの状態で強誘電体膜22には約0μC/cm2 の電荷がデータ“0”として保持される。
Subsequently, in order to rewrite data “1” to data “0”, a voltage −3 V required to invert the polarization state to the saturation state is applied to the
つまり、本実施形態においては、正の残留分極が生じている強誘電体膜22に負の電圧を印加した後負の電圧を解除した時に強誘電体膜22に生じる分極(残留分極)がほぼ0になるとすると、上記負の電圧(抗電圧)にほぼ等しい電圧を印加して、データを“1”から“0”に書き換えることになる。
That is, in the present embodiment, the polarization (residual polarization) generated in the
ただし、第2中間ゲート電極21−制御ゲート電極23間に抗電圧(本実施形態においては、−1V)より絶対値が大きく、かつ、飽和状態に達しない弱い負の電圧を印加しても、後述する読み出し精度の向上効果をある程度発揮することができる。
However, even if a weak negative voltage that has a larger absolute value than the coercive voltage (in this embodiment, -1 V) and does not reach the saturation state is applied between the second
また、強誘電体膜22にデータが書き込まれていない状態から強誘電体膜22にデータ“0”を書き込む場合にも、図5に示す抗電圧(約−1V)を強誘電体膜22に印加することが好ましい。
Further, even when data “0” is written to the
データを書き込んだ後は、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26を接地電位とし、これにつながる第1中間ゲート電極18の電位を確定する。つづいて、スイッチングトランジスタなどを利用して、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26を周辺回路(図示せず)から電気的に遮断する。
After the data is written, the
あるいは、データの読み出しの直前に、まず、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26を接地電位とし、これにつながる第1中間ゲート電極18の電位を確定する。これは、この読み出しまでに実行された書き込みおよび読み出しの動作あるいは静止状態で漏れ電流などとして第1中間ゲート電極18に蓄積された不要な電荷を除去するためである。つづいて、スイッチングトランジスタなどを利用して、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26を周辺回路(図示せず)から電気的に遮断する。その後、データを読み出すために、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25に、第1の実施形態で説明したオフセット電圧ΔVgに相当する読み出し電圧VRを印加する。この読み出し電圧VRは、強誘電体膜22に印加される電圧とシリコン酸化膜12に印加される電圧とに分割される。このとき、強誘電体膜22の分極が下向き(データ“1”)の場合は、強誘電体膜22に印加される電圧によって生じる分極の方向と、保持されている分極(電荷)の方向とは一致しているので、第1の実施形態において説明したように、読み出し電圧VRを除去しても分極の向きや大きさは変わらない。
Alternatively, immediately before reading out data, first, the
一方、強誘電体膜22の分極が上向き(データ“0”)の場合は、第1の実施形態の書き込み方法によると、強誘電体膜22に印加される電圧によって生じる分極の方向と、保持されている分極(電荷)の方向とが逆なので、読み出し電圧VRの印加によって強誘電体膜22はディスターブを受ける。その結果、ディスターブによって分極が消失してゆき、これにともなってデータ“0”に対するソース−ドレイン間電流Idsが変化する。
On the other hand, when the polarization of the
しかし、本実施形態の書き込み方法においては、当初から分極が約0μC/cm2 の状態がデータ“0”として保持されている。さらに、本実施形態では、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25に印加される読み出し電圧VRは、強誘電体膜22にかかる電圧が抗電圧を超えないように設定するので、ディスターブによって分極が消失してゆくことはなく、また、データ“0”の状態がデータ“1”へと反転してしまうこともない。したがって、データ“0”を繰り返して読み出しても、ソース−ドレイン間電流Idsは変化しないことになる。具体的には、強誘電体膜22に印加される電圧とシリコン酸化膜12に印加される電圧との比は、第2中間ゲート電極21,強誘電体膜22及び制御ゲート電極23により構成されるキャパシタの容量と、第1中間ゲート電極18,シリコン酸化膜12およびシリコン基板11により構成されるキャパシタの容量との比によって決まる。この容量比と読み出し電圧VRとを調整することにより、データ読み出し時に強誘電体膜22に印加される電圧を強誘電体膜22中の分極の抗電圧以下にできる。
However, in the writing method of this embodiment, a state where the polarization is about 0 μC /
そして、データの保存状態においては、これに先立つデータ書き込み動作の最後の段階で、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25と第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26とを共に接地することにより、強誘電体膜22に印加するバイアスをゼロとする。これにより、データ保持中にバイアスの影響を受けて分極が変化することはなくなる。
In the data storage state, the
よって、本発明によると、データ“1”を残留分極が下向きにある状態に対応させ、データ“0”を残留分極が上向きの飽和状態に達しない範囲に対応させて、データの書き込み,書き換え,保存及び読み出しを行なっているので、データ“0”のときのディスターブに起因する読み出し電流の変化を小さくすることができ、読み出し精度の向上を図ることができる。 Therefore, according to the present invention, data “1” is made to correspond to the state in which the remanent polarization is downward, and data “0” is made to correspond to the range in which the remanent polarization does not reach the upward saturated state. Since storage and reading are performed, a change in read current caused by disturbance when data is “0” can be reduced, and read accuracy can be improved.
特に、本実施形態のごとく、データ“0”を分極がほぼ0の状態に対応させることにより、読み出し精度の向上効果を顕著に発揮することができる。 In particular, as in the present embodiment, by making data “0” correspond to a state in which the polarization is substantially zero, the effect of improving the reading accuracy can be remarkably exhibited.
なお、本実施形態においては、データ“0”のときに分極がほぼ0にするような書き込み,書き換えを行なうようにしたが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、データ“1”のときに分極がほぼ0になるように設定することもできる。 In the present embodiment, writing and rewriting are performed so that the polarization is substantially zero when the data is “0”. However, the present invention is not limited to such an embodiment, and the data “1” is used. It is also possible to set the polarization to be substantially zero when
なお、本実施形態においては、MFMIS構造の強誘電体FETに本発明を適用したが、図1に示すMFIS構造の強誘電体FETに本発明を適用しても、同じ効果を発揮することができる。 In the present embodiment, the present invention is applied to the ferroelectric FET having the MFMIS structure. However, even if the present invention is applied to the ferroelectric FET having the MFIS structure shown in FIG. it can.
また、本実施形態においては、第1中間ゲート電極18,シリコン酸化膜12及びシリコン基板11によって構成される常誘電体キャパシタの容量値は変わらないが、制御ゲート電極23,強誘電体膜22及び第2中間ゲート電極21によって構成される強誘電体キャパシタの容量値は、図5に示す点aの位置と点bの位置とでは変わっている。つまり、キャパシタの容量値は、ヒステリシス特性曲線上の傾きに相当するからである。また、制御ゲート電極23−シリコン基板11間に印加される電圧は、常誘電体キャパシタと強誘電体キャパシタとに分配される。したがって、強誘電体キャパシタの容量値が大きいほど、制御ゲート電極23−シリコン基板11間に印加される電圧の強誘電体キャパシタへの分配率が小さくなる。このように、強誘電体キャパシタの容量値の変化に応じて、制御ゲート電極23に印加された電圧値の分配割合が変化することから、電流値が変化し、データの区別がより容易になる。
In this embodiment, the capacitance value of the paraelectric capacitor constituted by the first
(第3の実施形態)
次に、インプリントを防止するための構成に関する第3の実施形態について説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment relating to a configuration for preventing imprint will be described.
上記第2の実施形態により、ディスターブに起因する読み出し時のバイアスの変化を抑制することができるが、従来技術において説明したように、インプリントにより、長期間保持した後読み出されたソース−ドレイン間電流Idsのレベルが初期のそれと異なることを防止することは困難である。 According to the second embodiment, it is possible to suppress a change in bias at the time of reading due to disturbance. However, as described in the related art, the source-drain read after being held for a long time by imprinting It is difficult to prevent the level of the intercurrent current Ids from being different from the initial level.
そこで、本実施形態では、強誘電体膜22の分極状態が図5に示す点a(データ“1”)であるように一旦書き込み、この分極状態において、予め強制的にデータ“1”のインプリントを誘起する。したがって、従来の半導体記憶装置の製造方法に対する本実施形態の半導体記憶装置の特徴は、通常の半導体記憶装置の製造工程において、データ“1”を書き込んだ後、インプリントを誘起する工程を付加していることにある。
Therefore, in this embodiment, the
図6は、本実施形態における半導体記憶装置の強誘電体FET(図4参照)の製造工程の一例を示すフローチャート図である。 FIG. 6 is a flowchart showing an example of the manufacturing process of the ferroelectric FET (see FIG. 4) of the semiconductor memory device in the present embodiment.
まず、ステップST11で、ウェハ拡散工程を行なう。この工程においては、シリコン酸化膜12,第1中間ゲート電極18の形成、シリコン基板11への不純物のイオン注入によるソース領域15及びドレイン領域16の形成、第1中間ゲート電極18上への第2中間ゲート電極21,強誘電体膜22,制御ゲート電極23の形成、層間絶縁膜(図示せず)上への配線25,26の形成を行なう。
First, in step ST11, a wafer diffusion process is performed. In this step, the
次に、ステップST12で、強誘電体FETの強誘電体膜の電気的機能を検査する。この工程では、強誘電体膜22の電圧−分極特性などの諸特性が適正か否かを検査する。
Next, in step ST12, the electrical function of the ferroelectric film of the ferroelectric FET is inspected. In this step, it is inspected whether various characteristics such as voltage-polarization characteristics of the
次に、ステップST13で、すべての強誘電体FETにデータ“1”を書き込む。つまり、強誘電体膜22に下向きの分極を生じさせる。しかるのち、強誘電体FETの強誘電体膜22を加熱することにより、データ“1”の方向にインプリントを誘起する。このとき、たとえば150℃で約10時間の加熱を実施すると、強誘電体膜22のヒステリシス曲線は、当初データ“1”の方向,つまり下向きの分極が大きくなる方向に偏位する(つまり、インプリントが誘起される)が、ある時点からこの偏位がほぼ停止する。すなわち、それ以上のインプリントの進行は極めて少ない。
Next, in step ST13, data “1” is written to all the ferroelectric FETs. That is, downward polarization is caused in the
図7は、ステップST13における強誘電体膜22のヒステリシス特性の変化を示すヒステリシス特性図である。図7において、横軸は制御ゲート電極23−第2中間ゲート電極21間に印加する電圧を表し、縦軸は強誘電体膜22に生じる分極を下向き方向を正として表している。同図に示すように、強誘電体膜22の初期のヒステリシス特性は図中の一点鎖線で表される曲線であるが、インプリントが誘起されると、強誘電体膜22のヒステリシス特性は図中の破線で表される曲線に示される特性に移行する。そして、強誘電体膜22にデータ“1”が保持されている場合には、インプリントが誘起された後のヒステリシス曲線は、抗電圧(点b’の電圧値)が初期のヒステリシス特性における抗電圧から電圧軸方向に約−0.2Vだけ偏位するように変化する。そして、強誘電体膜22にインプリントが誘起された後も、点aから点a”に向かう曲線の傾きと点bから点a”に向かう曲線の傾き(すなわち、データ“1”が書き込まれた強誘電体膜22のキャパシタ容量とデータ“0”が書き込まれた強誘電体膜22のキャパシタ容量)との間には十分な差があるので、読み出し電圧VRを制御ゲート電極に接続された第1の配線25に印加すれば、第1中間ゲート電極18に誘起される電圧はデータ“1”とデータ“0”によって十分な違いが現れる。つまり、データの読み出し精度を良好に保持することができる。
FIG. 7 is a hysteresis characteristic diagram showing a change in the hysteresis characteristic of the
次に、ステップST14で、強誘電体膜22のベークを行なった後、ステップST15で、すべての強誘電体FETのデータ“1”を消去する。この例では、すべての強誘電体FETにデータ“0”を書き込むことになる。このとき、インプリントの誘起によってヒステリシス曲線が偏位した強誘電体膜22が保持しているデータ“1”をデータ“0”に書き換えるには、図7に示すように、分極状態が点aから点b’まで移動するように−1Vよりも絶対値が大きい負の電圧を強誘電体膜22に印加すればよい。この動作は、制御ゲート電極23に接続された第1の配線25を接地電位とし、第2中間ゲート電極21に接続された第2の配線26に1V以上の電圧を与えることによっても実施できる。また、強誘電体FETの強誘電体膜22をその強誘電体の相転移温度以上に加熱することによっても同様の効果が得られる。
Next, after the
ただし、強誘電体膜22に下向きの分極が存在する状態のまま、強誘電体FETをメモリセルとして使用することも可能である。その場合、強誘電体膜22に下向きの分極が残留している状態をデータ“0”とし、強誘電体膜22に分極がほとんど存在しない状態をデータ“1”とすることができる。
However, it is also possible to use the ferroelectric FET as a memory cell in a state where downward polarization exists in the
以上のように、データ“1”を保持した状態で予めインプリントを誘起しておけば、インプリントによってデータ“1”の読み出し信号のレベルが初期状態から変化していくことはない。また、データ“0”については、本実施形態においては分極がほぼゼロの状態をこれに対応させているので、インプリントは起こりようもない。したがって、本実施形態によれば、データ“1”およびデータ“0”いずれの状態に対してもインプリントの進行はほとんどないので、読み出し信号のレベルが初期の値から変化することはない。また、本実施形態の強誘電体FETによる効果は、本実施形態の強誘電体FETをマトリクス状に配置して、強誘電体FETの制御ゲート電極23をワード線となる第1の配線25に接続し、強誘電体FETのドレイン領域16をビット線に接続したメモリセルアレイを構成した場合にも得られる。
As described above, if imprinting is induced in advance in a state where the data “1” is held, the level of the read signal of the data “1” does not change from the initial state due to the imprinting. For data “0”, in the present embodiment, since the state of almost zero polarization is associated with this, imprint is unlikely to occur. Therefore, according to the present embodiment, since the imprint hardly progresses in any state of data “1” and data “0”, the level of the read signal does not change from the initial value. Further, the effect of the ferroelectric FET of the present embodiment is that the ferroelectric FET of the present embodiment is arranged in a matrix, and the
(その他の実施形態)
図12は、いわゆるMFMIS構造を有する強誘電体FETの断面図である。同図に示すように、強誘電体FETは、シリコン基板11の上に設けられたシリコン酸化膜12と、シリコン酸化膜12の上に設けられたPtなどの導体材料からなる中間ゲート電極31と、中間ゲート電極31の上に設けられ、ジルコン−チタン酸鉛(PZT)またはタンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)などの金属酸化物からなる強誘電体膜32と、強誘電体膜32の上に設けられたPtなどの導体材料からなる制御ゲート電極33と、シリコン基板11内における中間ゲート電極31の両側方にそれぞれ設けられたソース領域15及びドレイン領域16とを備えている。そして、シリコン基板11のうちシリコン酸化膜12の下方に位置する領域がチャネル領域17となっている。また、制御ゲート電極33は第1の配線35に接続され、中間ゲート電極31は第2の配線36に接続されている。
(Other embodiments)
FIG. 12 is a cross-sectional view of a ferroelectric FET having a so-called MFMIS structure. As shown in the figure, the ferroelectric FET includes a
このような強誘電体FETを半導体記憶装置のメモリセルとして、上記第2の実施形態と同様に、データの書き込み,書き換え,読み出しを行なうことができ、第2の実施形態と同様の効果を発揮することができる。また、図12に示す強誘電体FETを半導体記憶装置のメモリセルとして、上記第3の実施形態と同様に、強誘電体膜32に下向きの分極へのインプリントを生じさせるための処理を行なうことができる。
Using such a ferroelectric FET as a memory cell of a semiconductor memory device, data can be written, rewritten, and read as in the second embodiment, and the same effects as in the second embodiment can be achieved. can do. In addition, the ferroelectric FET shown in FIG. 12 is used as a memory cell of the semiconductor memory device, and processing for causing imprinting to downward polarization in the
本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、電界効果型トランジスタのチャネル領域のポテンシャルを、強誘電体薄膜のヒステリシス特性を利用して変化させる構造を有しながら、高い読み出し精度を維持しうる半導体記憶装置の製造が可能になるという効果を有し、電界効果型トランジスタのチャネル領域のポテンシャルを、強誘電体薄膜のヒステリシス特性を利用して変化させる構造を有する半導体記憶装置の製造方法等として有用である。 A method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention is a semiconductor capable of maintaining high read accuracy while having a structure in which the potential of the channel region of a field effect transistor is changed using the hysteresis characteristics of a ferroelectric thin film. Useful as a method for manufacturing a semiconductor memory device having a structure in which the potential of the channel region of a field effect transistor is changed using the hysteresis characteristics of a ferroelectric thin film It is.
11 シリコン基板
12 シリコン酸化膜
13 強誘電体膜
14 ゲート電極
15 ソース領域
16 ドレイン領域
17 チャネル領域
18 第1中間ゲート電極
21 第2中間ゲート電極
22 強誘電体膜
23 制御ゲート電極
25 第1の配線
26 第2の配線
DESCRIPTION OF
Claims (2)
上記強誘電体膜にデータ読み出しのために印加される電圧と同じ極性の電圧を印加した後、この電圧を解除して上記強誘電体膜中に第1の分極を残留させる工程(b)と、
上記強誘電体膜を一定時間の間加熱することにより、上記強誘電体膜のヒステリシス特性を上記第1の分極を上記第2の分極に反転させるのに必要な抗電圧が増大する方向に偏位させて、上記強誘電体膜のヒステリシス特性を非対称とする工程(c)とを含む半導体記憶装置の製造方法。 A ferroelectric film and a gate electrode provided on the semiconductor substrate; and a source region and a drain region provided on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate, wherein the ferroelectric film comprises the gate electrode To the first polarization generated in the ferroelectric film in response to a positive voltage with respect to the semiconductor substrate, and the second polarization generated in the ferroelectric film in response to a negative voltage from the gate electrode to the semiconductor substrate. Forming a memory cell comprising a field effect transistor configured to produce:
(B) applying a voltage having the same polarity as the voltage applied for reading data to the ferroelectric film and then releasing the voltage to leave the first polarization in the ferroelectric film; ,
By heating the ferroelectric film for a certain period of time, the hysteresis characteristics of the ferroelectric film are biased in a direction in which the coercive voltage required to invert the first polarization to the second polarization increases. And a step (c) of making the hysteresis characteristic of the ferroelectric film asymmetric.
上記工程(b)の後、上記強誘電体膜に残留している第1の分極を消去する工程をさらに含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1.
A method of manufacturing a semiconductor memory device, further comprising the step of erasing the first polarization remaining in the ferroelectric film after the step (b).
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