JP2009508351A - Ferroelectric memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】製造が容易であり、低電圧下で動作し、データ保持時間に優れた強誘電体メモリ装置及びその製造方法を提供する。本発明においてはシリコン基板1のチャネル領域(4)に対応する部分上に強誘電体層(60)が形成される。この強誘電体層(60)は、例えばPVDFなどの有機物よりなる。この有機物強誘電体層(60)は1V以下の低電圧下で分極特性を示し、この分極特性は経時的に変動せず一定時間以上持続される。従って、低電圧下で動作が可能であり、また簡単な構造および製造方法をもって製造できる強誘電体メモリ装置が具現される。
【選択図】図6A ferroelectric memory device that is easy to manufacture, operates under a low voltage and has excellent data retention time, and a method for manufacturing the same are provided. In the present invention, a ferroelectric layer (60) is formed on a portion of the silicon substrate 1 corresponding to the channel region (4). The ferroelectric layer (60) is made of an organic material such as PVDF. This organic ferroelectric layer (60) exhibits a polarization characteristic under a low voltage of 1 V or less, and this polarization characteristic does not vary with time and is maintained for a certain time or more. Therefore, a ferroelectric memory device that can operate under a low voltage and can be manufactured with a simple structure and manufacturing method is realized.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は強誘電体を用いた不揮発性メモリ装置に係り、特に製造が容易であり、低電圧下で動作し、データ保持期間に優れた強誘電体メモリ装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a nonvolatile memory device using a ferroelectric, and particularly relates to a ferroelectric memory device that is easy to manufacture, operates under a low voltage, and has an excellent data retention period, and a method for manufacturing the same.
現在強誘電性物質を用いてトランジスタ又はメモリ装置を具現しようとする研究が盛んに進められている。図1は強誘電体を用いたMFS(Metal−Ferroelectric−Semiconductor)型メモリ装置の典型的な構造を示す断面図である。 Currently, researches are being actively conducted to realize a transistor or a memory device using a ferroelectric substance. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a typical structure of an MFS (Metal-Ferroelectric-Semiconductor) type memory device using a ferroelectric.
図1においてシリコン基板1の所定領域にはソース領域2及びドレイン領域3が形成され、該ソース領域2とドレイン領域3との間のチャネル領域4上には強誘電体膜または強誘電体層5が形成される。この際、強誘電体層5としては、例えばPZT(PbZrxTi1−xO3)、SBT(SrBi2Ta2O9)、BLT((Bi, La)4Ti3O12)などの強誘電性の特徴を有する無機物が用いられる。そして、前記ソース領域2及びドレイン領域3と強誘電体層5の上側にはそれぞれ金属材のソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8が形成される。
In FIG. 1, a
前述した構造よりなる強誘電体メモリはゲート電極8を介して印加される電圧によって強誘電体層5が分極特性を示し、このような分極特性によってソース領域2とドレイン領域3との間に導電チャネルが形成されソース電極6とドレイン電極7との間に電流が流れるようになる。特に、前述した構造ではゲート電極8を介して印加される電圧を遮断した後でも強誘電体層5の分極特性が維持し続けられる。従って、前述した構造は別のキャパシタを備えなくてもただ一つのトランジスタだけで不揮発性メモリを構成することができる構造として注目されている。
In the ferroelectric memory having the above-described structure, the ferroelectric layer 5 exhibits polarization characteristics due to the voltage applied through the gate electrode 8, and conduction between the
しかし、前述した構造よりなる強誘電体メモリにおいては次のような問題がある。すなわち、シリコン基板1上に強誘電体層5を直接に形成すれば強誘電体層5の形成時に強誘電体層5とシリコン基板1との境界面に低品質の遷移層が形成され、強誘電体層5中のPb、Biのような元素がシリコン基板1中に拡散することによって高品質の強誘電体層が形成し難くなる。従って、強誘電体層5の分極特性、言い換えれば強誘電体メモリのデータの保持時間が極めて短縮されてしまうという問題が発生する。
However, the ferroelectric memory having the above-described structure has the following problems. That is, if the ferroelectric layer 5 is formed directly on the
従って、前述した問題点を考慮して、最近は図2に示したように、シリコン基板1と強誘電体層5との間に主に酸化物よりなるバッファ層20を形成する、言わばMFIS(Metal−Ferroelectric−Insulator−Semiconductor)構造が提案されたことがある。
Therefore, considering the above-described problems, a
しかし、前述したMFIS型強誘電体メモリは、まずバッファ層20の生成のために追加の製造工程を必要とし、またそのデータ保持効果もさほど大きくなく、現在実験室水準で作られた優れた試作結果の場合でもデータ保持時間が30日を越えていないのが実情である。
However, the above-described MFIS type ferroelectric memory first requires an additional manufacturing process for generating the
本発明は前述した事情を勘案してなされたもので、その目的は構造及び製造工程が簡単であり、データ保持時間を画期的にアップすることのできる強誘電体メモリ装置を提供するところにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and its object is to provide a ferroelectric memory device that has a simple structure and manufacturing process and can dramatically increase data retention time. is there.
本発明の他の目的は1V以下の低電圧下で動作できる強誘電体メモリ装置を提供するところにある。 Another object of the present invention is to provide a ferroelectric memory device that can operate under a low voltage of 1V or less.
本発明のさらに他の目的は前述した特徴を有する強誘電体メモリ装置を製造する方法を提供するところにある。 Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a ferroelectric memory device having the above-described characteristics.
前述した目的を達成するために本発明の第1観点による強誘電体メモリ装置は、半導体基板の所定領域に形成されるソース領域及びドレイン領域と、前記ソース領域とドレイン領域との間に形成されるチャネル領域、前記半導体基板上の前記チャネル領域に対応する部分に形成される有機物強誘電体層、及び前記ソース領域とドレイン領域及び有機物強誘電体層上にそれぞれ形成されるソース電極とドレイン電極及びゲート電極を含んで構成され、前記有機物強誘電体層はファンデルワールス結合及び水素結合のうちいずれか一つの結合を通じて半導体基板と結合されることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a ferroelectric memory device according to a first aspect of the present invention is formed between a source region and a drain region formed in a predetermined region of a semiconductor substrate and between the source region and the drain region. Channel region, an organic ferroelectric layer formed in a portion corresponding to the channel region on the semiconductor substrate, and a source electrode and a drain electrode formed on the source region, the drain region, and the organic ferroelectric layer, respectively. And the organic ferroelectric layer is bonded to the semiconductor substrate through one of van der Waals bonds and hydrogen bonds.
また、前記有機物強誘電体層はPVDF層であることを特徴とする。
前記有機物強誘電体層はポリフッ化ビニリデン(PVDF)、PVDFを含む重合体、PVDF共重合体、又はPVDF三元共重合体、奇数ナイロン、シアノ重合体(cyano−polymer)、これらの重合体、及びこれらの共重合体のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
前記有機物強誘電体層はβ相結晶を有することを特徴とする。
前記強誘電体層は1μm以下の膜厚さを有することを特徴とする。
The organic ferroelectric layer is a PVDF layer.
The organic ferroelectric layer is made of polyvinylidene fluoride (PVDF), a polymer containing PVDF, a PVDF copolymer, or a PVDF terpolymer, an odd-numbered nylon, a cyano-polymer, a polymer thereof, And at least one of these copolymers.
The organic ferroelectric layer has a β phase crystal.
The ferroelectric layer has a thickness of 1 μm or less.
本発明の第2観点に係る強誘電体メモリ装置の製造方法は、半導体基板の所定領域にソース領域及びドレイン領域を形成する第1段階と、前記ソース領域とドレイン領域との間にチャネル領域を形成する第2段階と、前記半導体基板上の前記チャネル領域部分に1μm以下の膜厚さを有する有機物強誘電体層を形成する第3段階、及び前記ソース領域及びドレイン領域と前記有機物強誘電体層上に電極を形成する第4段階とを含んで構成されることを特徴とする。 A manufacturing method of a ferroelectric memory device according to a second aspect of the present invention includes a first step of forming a source region and a drain region in a predetermined region of a semiconductor substrate, and a channel region between the source region and the drain region. A second step of forming, a third step of forming an organic ferroelectric layer having a thickness of 1 μm or less in the channel region portion on the semiconductor substrate, and the source and drain regions and the organic ferroelectric And a fourth step of forming an electrode on the layer.
前記第3段階は半導体基板を所定の表面処理溶液で処理する表面処理段階と、半導体基板上に有機物強誘電体層を塗布する強誘電体層形成段階とを含むことを特徴とする。
前記表面処理溶液は半導体基板の表面にH基を生成することを特徴とする。
前記表面処理溶液は、シラン(silane)、アキ−シラン(aki−silane)、アリール−シラン(aryl−silane)、フッ化アルキル−シラン(fluorinated alkyl−silane)、過フッ素化トリエトキシシラン(perfluorinated triethoxy silane)、ヘプタデカフルオロデシル トリエトキシシラン(heptadeca−fluorodecyl triethoxy silane)の溶液のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
前記表面処理溶液は半導体基板の表面にOH基を生成することを特徴とする。
前記表面処理溶液は2−プロパノール(2−propanol)溶液にKOHを飽和させた溶液であることを特徴とする。
前記表面処理溶液H2SO4とH2O2を混合した溶液であることを特徴とする。
前記強誘電体層の結晶構造をβ相に設定する強誘電体層相転移段階を含んで構成されることを特徴とする。
前記強誘電体層相転移段階は前記強誘電体層の温度を、β相結晶をなす温度以上に上昇させる温度上昇段階と、前記強誘電体の温度をβ相結晶温度間で単調に減少させる第1温度降下段階、及び前記強誘電体層の温度を急速に降下させる第2温度降下段階と、を含んで構成されることを特徴とする。
前記強誘電体層の相転移段階は前記強誘電体層の温度を、β相結晶をなす温度に上昇させる温度上昇段階と、前記強誘電体層の温度を急速に降下させる温度降下段階と、を含んで構成されることを特徴とする。
The third step includes a surface treatment step of treating the semiconductor substrate with a predetermined surface treatment solution and a ferroelectric layer formation step of applying an organic ferroelectric layer on the semiconductor substrate.
The surface treatment solution generates H groups on the surface of a semiconductor substrate.
The surface treatment solution may be silane, aki-silane, aryl-silane, fluorinated alkyl-silane, perfluorinated triethoxysilane. silane), and at least one solution of heptadecafluorodecyl triethoxysilane (heptadeca-fluordecyl trisilane).
The surface treatment solution generates OH groups on the surface of a semiconductor substrate.
The surface treatment solution is a solution in which KOH is saturated in a 2-propanol solution.
The surface treatment solution is a solution obtained by mixing H 2 SO 4 and H 2 O 2 .
The ferroelectric layer includes a ferroelectric layer phase transition step for setting the crystal structure of the ferroelectric layer to a β phase.
The ferroelectric layer phase transition step includes a temperature increase step for increasing the temperature of the ferroelectric layer to a temperature higher than that for forming a β-phase crystal, and a monotonically decreasing temperature for the ferroelectric material between the β-phase crystal temperatures. It is characterized by comprising a first temperature drop step and a second temperature drop step to rapidly drop the temperature of the ferroelectric layer.
The phase transition stage of the ferroelectric layer includes a temperature increasing stage for increasing the temperature of the ferroelectric layer to a temperature forming a β-phase crystal, and a temperature decreasing stage for rapidly decreasing the temperature of the ferroelectric layer, It is characterized by comprising.
以上述べたように、本発明によれば一つの簡単なトランジスタ構造をもって不揮発性メモリが具現される。従って、不揮発性メモリの製造コストを低減し、その製造工程を著しく簡単化できる利点がある。 As described above, according to the present invention, a nonvolatile memory is implemented with one simple transistor structure. Therefore, there is an advantage that the manufacturing cost of the nonvolatile memory can be reduced and the manufacturing process can be greatly simplified.
また、本発明によれば、有機物強誘電体層の分極特性が1V以下に決定されるので、極めて低電圧下で動作する不揮発性メモリを具現できる。 In addition, according to the present invention, since the polarization characteristic of the organic ferroelectric layer is determined to be 1 V or less, a nonvolatile memory that operates under an extremely low voltage can be realized.
また、本発明によれば、同じ方式及び構造を通じて極めて低電圧下で動作する強誘電体トランジスタを具現できる。 In addition, according to the present invention, a ferroelectric transistor that operates under an extremely low voltage can be implemented through the same method and structure.
以下、図面に基づき本発明に係る一実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本発明の基本概念について説明する。
前述したように現在強誘電体メモリに使用されている強誘電性物質としては、PZT、SBT、BLTなどの無機物である。しかし、このような無機物は時間の経過に伴い極性(分極)特性の劣化を招きがちで、データ保持時間を長く設定するのに基本的に問題点を抱えている。また、このような無機物強誘電体は高価であり、かつ薄膜形成に高温処理が必要になることは勿論、膜形成に高価な装備を必要とするなどの問題点がある。
First, the basic concept of the present invention will be described.
As described above, the ferroelectric substance currently used in the ferroelectric memory is an inorganic substance such as PZT, SBT, or BLT. However, such an inorganic substance tends to cause deterioration of polarity (polarization) characteristics with the passage of time, and basically has a problem in setting a long data retention time. Further, such inorganic ferroelectrics are expensive, and there are problems such as high temperature treatment required for thin film formation and expensive equipment required for film formation.
前述した無機物のほか、強誘電特性を有する有機物として多種のものが知られている。このうち代表的なものとして、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)や、このPVDFを含む重合体、PVDF共重合体、又はPVDF三元共重合体が挙げられ、その他奇数ナイロン、シアノ重合体(cyano−polymer、polyacrylonitrile)、これらの重合体、及びこれらの共重合体が挙げられる。前述した強誘電性有機物のうちPVDFと、その重合体、共重合体、及び三元共重合体が有機物半導体の材料として多く研究されている。 In addition to the inorganic materials described above, various types of organic materials having ferroelectric properties are known. Typical examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), polymers containing this PVDF, PVDF copolymers, or PVDF terpolymers, and other odd-numbered nylons and cyano polymers (cyano-polymers). , Polyacrylonitrile), these polymers, and copolymers thereof. Among the ferroelectric organic materials described above, PVDF and its polymers, copolymers, and ternary copolymers have been extensively studied as materials for organic semiconductors.
一般に、強誘電性有機物をメモリ装置の材料として使用するためには該当有機物が電圧に対してヒステリシス的な極性特性を揃えるべきである。しかし、前述したPVDFの場合は、図3に示したように印加電圧によってそのキャパシタンスが単調に増減する特性を示し、メモリ装置への使用に適したヒステリシス的な特性を有しない。 In general, in order to use a ferroelectric organic material as a material of a memory device, the organic material should have a hysteresis characteristic with respect to voltage. However, in the case of the PVDF described above, the capacitance monotonously increases or decreases depending on the applied voltage as shown in FIG. 3, and does not have a hysteresis characteristic suitable for use in a memory device.
本発明者の研究によれば、PVDFの場合はα、β、γ、δの4種類の結晶構造を有しているが、このうちβ相の結晶構造で良好なヒステリシス極性特性を有することが確認された。この際、PVDFの相結晶をβ相に決定するためにはPVDFをβ相に相転移が起こる例えば60〜70℃の温度、望ましくは概略65℃の温度、又はPVDFがβ相を示す温度でPVDFを急速冷却させる方法でPVDFをβ相に決定することができる。 According to the inventor's research, PVDF has four types of crystal structures of α, β, γ, and δ. Of these, β phase crystal structure has good hysteresis polarity characteristics. confirmed. At this time, in order to determine the phase crystal of PVDF as the β phase, the phase transition of PVDF into the β phase occurs, for example, at a temperature of 60 to 70 ° C., preferably approximately 65 ° C., or a temperature at which PVDF exhibits the β phase. PVDF can be determined to be β phase by a method of rapidly cooling PVDF.
図4は本発明によって生成されたPVDF薄膜の電圧に対する分極特性を示したグラフであって、これはシリコン基板上にβ相を有するPVDF薄膜を形成し、PVDF薄膜上に上部電極を形成した後、シリコン基板と上部電極との間に所定の電圧を印加して測定した結果である。特に、図4(a)はPVDF薄膜の厚さを概略10nm、図4(b)はPVDF薄膜の厚さを概略60nmで形成した場合を示したもので、これら薄膜は例えば3,000rpm以下のスピンコーティング法と120℃以上のアニーリング処理を通じて所定厚さのPVDF薄膜を形成した後、ホットプレート(hot plate)上でPVDF薄膜の温度を単調に減少させた後で、例えば65℃温度でPVDF薄膜を急速冷却させる方法を通じて形成した。 FIG. 4 is a graph showing the polarization characteristics of the PVDF thin film produced according to the present invention with respect to voltage, after forming a PVDF thin film having a β phase on a silicon substrate and forming an upper electrode on the PVDF thin film. This is a result of measurement by applying a predetermined voltage between the silicon substrate and the upper electrode. In particular, FIG. 4A shows a case where the thickness of the PVDF thin film is approximately 10 nm, and FIG. 4B shows a case where the thickness of the PVDF thin film is approximately 60 nm. These thin films are, for example, 3,000 rpm or less. After a PVDF thin film having a predetermined thickness is formed through a spin coating method and an annealing process at 120 ° C. or higher, the temperature of the PVDF thin film is monotonously reduced on a hot plate, and then the PVDF thin film is formed at a temperature of 65 ° C., for example. Was formed through a rapid cooling method.
図4から分かるように、本発明によって生成されたPVDF薄膜は、印加電圧を上昇する際に概略0〜1V間でその容量値が減少し、再び印加電圧を下降する際に概略0〜−1Vで容量値が上昇するという良好なヒステリシス特性を有する。 As can be seen from FIG. 4, the PVDF thin film produced according to the present invention has a capacitance value that decreases between approximately 0 and 1V when the applied voltage is increased, and approximately 0 to -1V when the applied voltage is decreased again. It has a good hysteresis characteristic that the capacitance value increases.
また図5は、前述したように生成したPVDF薄膜の容量値が経時的に変わる程度を測定したグラフであって、図5(a)及び図5(b)はそれぞれ図4(a)及び図4(b)に対応するものである。
図5から分かるように、本発明によって生成されたPVDF薄膜は、経時的にその容量値が変動せず、一定時間以上一定に維持されることが確かめられた。
FIG. 5 is a graph obtained by measuring the degree to which the capacitance value of the PVDF thin film produced as described above changes over time. FIGS. 5 (a) and 5 (b) are FIGS. 4 (a) and 4 (b), respectively. This corresponds to 4 (b).
As can be seen from FIG. 5, it was confirmed that the PVDF thin film produced according to the present invention did not change its capacity value over time and was kept constant for a certain time or more.
従って、図4及び図5から確認されたように、本発明に係るPVDF薄膜は次のような特徴を有する。 Therefore, as confirmed from FIGS. 4 and 5, the PVDF thin film according to the present invention has the following characteristics.
第1に、本発明に係るPVDF薄膜は0Vで一定以上の容量値を示す。これは、外部から電圧が印加されない0VでもPVDF薄膜の分極値が変更されず維持されることを意味する。すなわち、本発明に係るPVDF薄膜は不揮発性メモリの材質として有用に使用できる。 First, the PVDF thin film according to the present invention exhibits a capacitance value above a certain level at 0V. This means that the polarization value of the PVDF thin film is maintained unchanged even at 0 V where no voltage is applied from the outside. That is, the PVDF thin film according to the present invention can be usefully used as a material for a nonvolatile memory.
第2に、本発明に係るPVDF薄膜は1V以下の範囲内でもメモリ特性を示す。すなわち、極めて低電圧でデータ記録及び削除が可能になる。すなわち、本発明に係るPVDF薄膜は低電圧で動作するメモリ装置を具現するのに有用に使用できる。 Second, the PVDF thin film according to the present invention exhibits memory characteristics even within a range of 1 V or less. That is, data recording and deletion can be performed at an extremely low voltage. That is, the PVDF thin film according to the present invention can be usefully used to implement a memory device that operates at a low voltage.
第3に、本発明に係るPVDF薄膜は経時的にその容量値が変動せず一定に維持される特性を有する。すなわち、本発明に係るPVDF薄膜は一度記録されたデータ値を一定時間以上保持する優れたデータ保持特性を有する。 Third, the PVDF thin film according to the present invention has a characteristic that its capacitance value does not change with time and is kept constant. That is, the PVDF thin film according to the present invention has an excellent data retention characteristic that retains a data value once recorded for a predetermined time or more.
次いで、図6及び図7を参照して本発明に係る強誘電体メモリ装置の構造とその製造方法について説明する。
図6は本発明に係る強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。
Next, a structure of a ferroelectric memory device according to the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to FIGS.
FIG. 6 is a sectional view showing the structure of a ferroelectric memory device according to the present invention.
本発明に係るメモリ装置は図1に示した従来のものと同じく、シリコン基板1の所定領域にはソース領域2及びドレイン領域3が形成され、このソース領域2とドレイン領域3との間のチャネル領域4上には強誘電体薄膜又は強誘電体層60が形成される。ここで、強誘電体層60としては前述したように強誘電性有機物が使われる。この際、強誘電性有機物としてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)や、PVDFを含む重合体、PVDF共重合体、PVDF三元共重合体が用いられ、その他奇数ナイロン、シアノ重合体及びこれらの重合体や共重合体などが利用可能である。そして、前記ソース領域2及びドレイン領域3と強誘電体層60の上側にはそれぞれ金属材又は導電性有機物よりなるソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8が形成される。
In the memory device according to the present invention, a
図6に示した構造においては、図3のMFIS構造とは違って、バッファ層20が除去される。従って、シリコン基板1上に直ちに強誘電体層60と各種電極6、7、8を形成すれば済むので、強誘電体メモリ装置の構造が一般のトランジスタの構造のように極めて簡単になる。
In the structure shown in FIG. 6, unlike the MFIS structure of FIG. 3, the
一方、図7は図6に示した強誘電体メモリ装置を製造する工程を示したフローチャートである。
図7において、まず通常の方法を通じてシリコン基板1の所定領域にソース領域2及びドレイン領域3とチャネル領域4を形成する(ST1段階)。
On the other hand, FIG. 7 is a flowchart showing a process for manufacturing the ferroelectric memory device shown in FIG.
In FIG. 7, first, a
次いで、前記シリコン基板1を所定の表面処理溶液で処理する(ST2段階)。一般に、半導体装置を製造する場合にはシリコンやGaAsなどの半導体基板を使用する。これら半導体基板は通常インゴット(ingot)から所定厚さで半導体基板を切断した後、その切断された半導体基板を鏡面加工して使用する。ところが、このように半導体基板を鏡面加工する段階で半導体基板上のダングリングボンドが切断されて除去されることによって半導体基板に対する有機物の結合力が著しく低下する。すなわち、有機物などの材質が半導体基板上に付着及び積層されないという問題が発生する。
Next, the
半導体基板に対する有機物の結合力が低くなると半導体基板上に一定厚さ以下の薄膜を形成できない。すなわち、有機物層の膜厚がやむを得ず厚くなる。強誘電体メモリは強誘電層の分極特性を用いて不揮発性メモリを具現するようにしたものである。ところが、このように半導体基板上に積層される有機物層が厚くなると該当有機物層の分極特性を得るために有機物層に高電圧を印加しなければならなくなる。すなわち、メモリ装置の駆動のために高電圧が求められるという問題が発生する。 When the bonding force of the organic substance to the semiconductor substrate becomes low, a thin film having a certain thickness or less cannot be formed on the semiconductor substrate. That is, the film thickness of the organic material layer is inevitably increased. A ferroelectric memory is a non-volatile memory implemented using the polarization characteristics of a ferroelectric layer. However, when the organic material layer stacked on the semiconductor substrate becomes thick as described above, a high voltage must be applied to the organic material layer in order to obtain the polarization characteristics of the organic material layer. That is, there is a problem that a high voltage is required for driving the memory device.
従って、一定以下の低電圧下で動作できる有機物強誘電体メモリを具現するためには、必ず強誘電性有機物層の膜厚を一定以下、望ましくは1μm以下の薄膜で形成することが求められる。
本発明者の研究によれば、一般に有機物を半導体基板と結合させるためには、ファンデルワールス結合や水素結合が極めて有用な手段になれることが確認された。そして、前述したファンデルワールス結合や水素結合のためには半導体基板の表面にH基やOH基を形成することが望ましい。
Therefore, in order to realize an organic ferroelectric memory that can operate under a low voltage below a certain level, it is always necessary to form a ferroelectric organic layer with a thin film having a thickness below a certain level, preferably 1 μm or less.
According to the inventor's research, it has been confirmed that van der Waals bonds and hydrogen bonds can be extremely useful means for bonding organic substances to semiconductor substrates. For the van der Waals bond or hydrogen bond described above, it is desirable to form H groups or OH groups on the surface of the semiconductor substrate.
本発明者は半導体基板上にH基及びOH基を生成するために多様な実験を施したが、その結果H基やOH基の生成には、例えばシラン(silane)や、KOH又はH2SO4とH2O2の混合液を利用できることが確認された。さらに具体的に、H基の生成にはシラン(siliane)、アキ−シラン(aki−silane、alkyl−silane、allyl−silane)、アリルシラン(aryl−silane)、フッ化アルキルシラン(fluorinated alkyl−silane)、過フッ素化トリエトキシシラン(perfluorinated triethoxy silane)、へプタデカフルオロデシル トリエトキシシラン(heptadeca−fluorodecyl triethoxy silane)などの溶液などを利用することが可能であり、OH基の生成には2−プロパノール(2−propanol)溶液にKOHを飽和させた溶液や、H2SO4とH2O2を所定比率で混合した溶液を利用することができる。勿論、このような表面処理溶液としては前記溶液のほか、半導体基板にH基やOH基を生成できるいずれのものを使用してもよい。
The inventor conducted various experiments to generate H groups and OH groups on a semiconductor substrate. As a result, for the generation of H groups and OH groups, for example, silane, KOH, or H 2 SO It was confirmed that a mixture of 4 and H 2 O 2 could be used. More specifically, for the generation of H group, silane (siliane), acryl-silane (aki-silane, alkyl-silane, allyl-silane), allylsilane (aryl-silane), fluorinated alkylsilane (fluorineated alkyl-silane) , Perfluorinated triethoxysilane, heptadecafluorodecyl triethoxysilane, and the like can be used, and 2-OH can be generated for the production of OH groups. (2-propanol) solution and saturated with KOH solution, be used a solution in which the
前述した表面処理溶液を用いてシリコン基板1の表面を処理した後には例えば窒素を使用するエアガン(air gun)を用いてシリコン基板を乾燥させる。そして、例えばスピンコーティング法、真空蒸着法、スクリーンプリンティング法、ジェットプリンティング法、又はLB(Langmuir−Blodgett)法などを用いて基板1上に有機物強誘電体を塗布した後、例えばフッ酸(HF)希釈溶液などのエッチング溶液を用いてゲート領域を除いた不要な部分を除去して強誘電体層60を形成する(ST3段階)。
After the surface of the
特に、前記強誘電体層60を形成した後はホットプレート上に基板1を載置し、基板1の温度が所定温度以上に上昇するように熱を加える。この際ホットプレートの温度は強誘電体層60の結晶構造がβ相をなす温度以上になるように設定される。
In particular, after the
次いで、ホットプレートを制御して基板1の温度を単調に減少させ、基板1の温度、さらに正確には強誘電体層60の温度が例えば60〜70℃、望ましくは65℃、すなわち強誘電体がβ相をなす温度に達した時に、前記基板1の温度を急速に冷却させることによって強誘電体層60の結晶構造がβ相に固定される。
Next, the temperature of the
その後、前記結果構造上にドレイン電極6、ソース電極7及びゲート電極8を形成してメモリ装置を構成する(ST4段階)。 Thereafter, the drain electrode 6, the source electrode 7 and the gate electrode 8 are formed on the resultant structure to constitute a memory device (ST4).
以上本発明に係る実施例を説明してきた。しかし、本発明は前述した実施例に限らず、本発明の技術的要旨を逸脱しない範囲内で多様に変更して実施することができる。 The embodiments according to the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the technical scope of the present invention.
すなわち、例えば前記実施例では基板1上に強誘電体層60、すなわちPVDF層を形成した後、このPVDF層がβ相を示す温度で基板1を急速に冷却させる方法でPVDF層の結晶構造をβ相に決定した。
That is, for example, in the above embodiment, after the
ところが、このような方法でメモリ装置を製造する場合、強誘電体層60を生成した後、その上に再び各種電極6、7、8を形成する時基板1に加わる熱によって強誘電体層60の結晶構造が変更される恐れがある。
However, when a memory device is manufactured by such a method, the
従って、強誘電体層60を形成してから直ちに強誘電体層60の結晶構造を設定せず、ソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8を形成して全てのメモリ製造工程が完了した後に強誘電体層60の結晶構造を設定する方法が望ましい。
Therefore, after the
また、前述した実施例では基板1上にH基やOH基を形成するためにシラン(silane)やKOH、又はH2SO4とH2O2の混合液を用いることについて説明した。しかし、本発明は基板と有機物間にファンデルワールス結合や水素結合が図れるいずれの表面処理溶液も使用可能である。
In the above-described embodiments, the use of silane, KOH, or a mixed solution of H 2 SO 4 and H 2 O 2 to form H groups and OH groups on the
また、基板1上に有機物層を積層させる方法としても、蒸着、スパッタリング法、及びスピンコーティング法のほか、現在利用可能な全ての積層方法を使用することができる。
Also, as a method for laminating the organic layer on the
また、本発明が適用される基板1としてもシリコン基板に限定されず、GaAs基板やその他半導体装置を製造するのに用いられるいずれの基板を使ってもよい。
Further, the
本発明は上記に開示した実施例に限定されるものではなく、むしろ、本願の請求項の精神と範囲内に含まれる様々な変更と等価な配置をカバーするものである。 The invention is not limited to the embodiments disclosed above, but rather covers arrangements equivalent to various modifications that fall within the spirit and scope of the claims.
1 シリコン基板
2 ソース領域
3 ドレイン領域
4 チャネル領域
5 強誘電体層
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
20 バッファ層
60 強誘電性有機物からなる強誘電体薄膜(強誘電体層)
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記ソース領域とドレイン領域との間に形成されるチャネル領域と、
前記半導体基板上の前記チャネル領域に対応する部分に形成される有機物強誘電体層と、
前記ソース領域とドレイン領域及び有機物強誘電体層上にそれぞれ形成されるソース電極とドレイン電極及びゲート電極を含んで構成され、
前記有機物強誘電体層はファンデルワールス結合及び水素結合のいずれか一つの結合を通じて半導体基板と結合されることを特徴とする強誘電体メモリ装置。 A source region and a drain region formed in a predetermined region of the semiconductor substrate;
A channel region formed between the source region and the drain region;
An organic ferroelectric layer formed in a portion corresponding to the channel region on the semiconductor substrate;
A source electrode, a drain electrode and a gate electrode respectively formed on the source region, the drain region and the organic ferroelectric layer;
The ferroelectric memory device according to claim 1, wherein the organic ferroelectric layer is bonded to the semiconductor substrate through one of van der Waals bonding and hydrogen bonding.
前記ソース領域とドレイン領域との間にチャネル領域を形成する第2段階と、
前記半導体基板上の前記チャネル領域部分に1μm以下の膜厚さを有する有機物強誘電体層を形成する第3段階と、
前記ソース領域及びドレイン領域と前記有機物強誘電体層上に電極を形成する第4段階と、を含んで構成されることを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。 Forming a source region and a drain region in a predetermined region of the semiconductor substrate;
A second step of forming a channel region between the source region and the drain region;
A third step of forming an organic ferroelectric layer having a thickness of 1 μm or less on the channel region portion on the semiconductor substrate;
4. A method of manufacturing a ferroelectric memory device, comprising: a fourth step of forming electrodes on the source and drain regions and the organic ferroelectric layer.
半導体基板上に有機物強誘電体層を塗布する強誘電体層形成段階と、を含むことを特徴とする請求項6に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。 The third step includes a surface treatment step of treating the semiconductor substrate with a predetermined surface treatment solution;
7. The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 6, further comprising a ferroelectric layer forming step of applying an organic ferroelectric layer on the semiconductor substrate.
前記強誘電体層の温度をβ相結晶温度まで単調に減少させる第1温度降下段階と、
前記強誘電体層の温度を急速に降下させる第2温度降下段階と、を含んで構成されることを特徴とする請求項13に記載の有機物を用いた強誘電体メモリ装置の製造方法。 The ferroelectric layer phase transition stage includes a temperature rise stage for raising the temperature of the ferroelectric layer to a temperature higher than that of forming a β-phase crystal,
A first temperature drop step for monotonically decreasing the temperature of the ferroelectric layer to the β-phase crystal temperature;
14. The method of manufacturing a ferroelectric memory device using an organic material according to claim 13, further comprising a second temperature drop step of rapidly lowering the temperature of the ferroelectric layer.
前記強誘電体層の温度を急速に降下させる温度降下段階と、を含んで構成されることを特徴とする請求項13に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。 The phase transition stage of the ferroelectric layer is a temperature rise stage for raising the temperature of the ferroelectric layer to a temperature forming a β-phase crystal,
14. The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 13, further comprising a temperature lowering step of rapidly lowering the temperature of the ferroelectric layer.
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