JP3075614B2 - 不揮発性メモリセル - Google Patents

不揮発性メモリセル

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JP3075614B2 JP03335927A JP33592791A JP3075614B2 JP 3075614 B2 JP3075614 B2 JP 3075614B2 JP 03335927 A JP03335927 A JP 03335927A JP 33592791 A JP33592791 A JP 33592791A JP 3075614 B2 JP3075614 B2 JP 3075614B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は記憶部の誘電体として、
強誘電体薄膜を用いた不揮発性メモリセルの構造に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】半導体メモリは、記憶状態からRAM
(Random Access Memory)とSAM(Sequential Acces
s Memory)とに大きく分類され、これらは原理的に記憶
動作からRWM(Read Write Memory)及びROM(Rea
d Only Memory)に分けられ、記憶内容の維持に電力を
要せず、電源を切っても記憶内容を失わないものを不揮
発性メモリ、記憶内容の維持に電力を要し、電源を切る
と記憶内容を失うものを揮発性メモリと呼んでいる。
【0003】このうち、RWMであるRAMを一般に
「RAM」と呼んでおり、この「RAM」は、駆動手段
からさらにスタティックRAM(SRAM)とダイナミ
ックRAM(DRAM)に分けられる。SRAMはフリ
ップ・フロップ回路によって構成されており、構造が複
雑なため集積度を大きくすることが困難な反面、記憶状
態の保持を小電力で行うことができるので消費電力が小
さいと共に書き込み/読み出し動作が速いという特長が
ある。
【0004】これに対して、DRAMは記憶部であるキ
ャパシタとこの記憶部を制御する能動部であるトランジ
スタによって構成されており、キャパシタに蓄えられた
電荷を維持するためにリフレッシュと呼ばれる更新動作
が必要であるため、消費電力が比較的大きいという欠点
がある反面、メモリセルの構造が単純なため、集積度を
大きくすることができるという特長があり、コンピュー
タの主記憶装置として広く用いられている。
【0005】一方、記憶維持に電力を必要としない不揮
発性メモリであるROMには製造段階で情報が書き込ま
れるマスクROMと使用者が後から情報を書き込むこと
ができるPROM(Programable ROM )がある。このP
ROMには、書き込みは電気的に行い、消去は紫外線を
照射して一括して消去するEPROM(UV-Erasable PR
OM)及び電気的に書き込み/消去を行うEEPROM
(Eletrically-Erasable PROM)がある。
【0006】ところで、近年国際固体回路会議(ISS
CC 88)において紹介された、DRAM中でMOS
電界効果トランジスタ(MOSFET)と組み合わせて
記憶部に用いられるキャパシタの誘電体に強誘電体薄膜
を用いたRAMは、FRAM(Ferroelectric RAM)
と呼ばれ、RAMでありながら記憶維持に電力を要しな
いため不揮発性であること、構造が単純なため集積化に
適していること、広い温度範囲で低電圧駆動が可能であ
ること、α線ソフトエラーに強いこと等の理由により注
目されている。
【0007】このFRAMは、特開平2−94571号
公報、特開平2−94553号公報、特開平2−290
079号公報に開示されているように、単結晶ウェハ上
のソース領域上あるいはゲート絶縁膜上に強誘電体薄膜
を形成することにより構成されている。
【0008】しかし、単結晶シリコンウェハの面積には
限界があるため、従来の単結晶を用いたFRAMでより
大容量のものを得るためには高集積化をはかる必要があ
り、そのためには、サブミクロン加工技術などの高度な
微細加工技術が必要である。したがって、従来の単結晶
シリコンウェハを用いるFRAMによっては大容量のメ
モリを得ることができないという問題があった。
【0009】また、半導体層と強誘電体層とを直接に接
触させると、半導体表面の電荷により強誘電体の分極電
荷が完全に相殺されないことから、自発分極と反対方向
の電界が強誘電体薄膜内に発生するため、自発分極が熱
力学的に不安定になることがある。
【0010】一方、特開平3−22483号公報に、ガ
ラス基板上に形成された記憶電極、記憶電極を覆って形
成された強誘電体薄膜、強誘電体薄膜上に形成された非
晶質半導体層、非晶質半導体層表面に離間して各々形成
されたコンタクト層、各々のコンタクト層上に形成され
たソース電極及びドレイン電極から構成されたFRAM
が記載されている。
【0011】このFRAMは、基板として大きさに制限
のある単結晶シリコンウェハではなく、大面積のものを
容易に得ることができる耐熱ガラス絶縁基板を用いてい
るので、高度な微細加工技術を用いなくても大容量のメ
モリを得ることが可能である反面、動作半導体層が非晶
質であるため、キャリアの移動度が低く、書き込み/読
み出し動作を速くすることができないという問題点を有
している。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本願発明は、上記問題
点すなわち、キャリアの移動度が高く書き込み/読み出
し動作が速い反面大容量のメモリを得ることができない
という、単結晶シリコンウェハを用いるFRAMの有す
る問題点及び、キャリアの移動度が低いため書き込み/
読み出し動作を速くすることができないという、非晶質
半導体を用いるFRAMの有する問題点を同時に解決す
ることのできる新規な構成のFRAMを得ることを課題
とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本願においては、上記課
題を解決することを目的として「絶縁基板上に形成され
た記憶電極、記憶電極を覆って形成された強誘電体薄
膜、強誘電体薄膜上に形成されたゲート電極、ゲート電
極上に形成されたゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜上に形成
された半導体層、半導体層表面に離間して形成されたソ
−ス領域及びドレイン領域、ソース領域及びドレイン領
域上に各々形成されたコンタクト層、各々のコンタクト
層上に形成されたソース電極及びドレイン電極からなる
ことを特徴とする不揮発性メモリセル」との構成を有す
る発明を提供する。
【0014】
【作用】上記構成を有する本願発明においては、絶縁基
板上に形成された記憶電極を覆って自発分極を有する強
誘電体薄膜を形成し、この強誘電体薄膜上に強誘電体薄
膜を覆うゲート電極を形成し、さらにその上にゲート絶
縁層を形成している。このように構成すると、記憶電極
に印加される電圧により強誘電体に誘起される自発分極
値が変化し、SiNx ゲート絶縁膜に印加される電圧が
変化して、記憶が行われる。
【0015】そして、本願発明の不揮発性メモリセルは
大面積のものを容易に得ることができる絶縁基板の上に
形成されているから、従来のものと異なり高度な微細加
工技術を用いることなく大容量のメモリを得ることがで
きるとともに、大きなキャリア移動度を得ることができ
るから、充分な書き込み/読み出し速度を得ることがで
きる。
【0016】
【実施例】図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1(a)に示すのは、本願発明を1トランジスタ+1
キャパシタDRAM型メモリセルに適用した実施例の模
式図である。この不揮発性メモリセルは耐熱ガラス等の
絶縁材料である基板1上に形成されている。この耐熱ガ
ラス絶縁基板1は大きな面積を有しており、その上に多
数の不揮発性メモリセルが形成されている。
【0017】この耐熱ガラス絶縁基板1上に白金(P
t)等の金属からなる電極(記憶電極)2が形成され、
記憶電極2を覆って膜厚0.6〜0.8μmのチタン酸
鉛(PbTiO3 )からなる強誘電体薄膜3が形成され
ている。この強誘電体薄膜3は酸化鉛(PbO)及び酸
化チタン(TiO2 )を原料として、基板温度600
℃,約1PaのAr/O2 雰囲気においてマグネトロン
スパッタリング法によって形成され、形成される膜組成
が化学量論的組成比になるように調製される。
【0018】この強誘電体薄膜上に白金(Pt)等の金
属からなるゲート電極4が形成され、このゲート電極4
上にCVD法によりSiNx からなるゲート絶縁膜5が
形成されている。
【0019】このような構成を採ることにより、シリコ
ン半導体層に対して有害である強誘電体薄膜中のPb原
子あるいはO原子が、シリコン半導体中に入り込むこと
を防止することができる。
【0020】このゲート絶縁膜5上には、厚さ0.15
〜0.2μmのシリコン多結晶半導体層6が形成されて
いる。このシリコン多結晶半導体層6はシラン(SiH
4 )ガスを原料として基板温度550℃で低圧化学蒸着
法(LPCVD)によって基板上に非晶質シリコン層を
形成し、形成された非晶質シリコン層を600℃のN 2
雰囲気で24時間固相成長させることにより、シリコン
多結晶半導体層6を形成する。
【0021】次いで、形成された多結晶半導体層表面に
イオンドーピング法によりイオン注入量5×1015/c
2 の燐(P)を注入することにより、ソース領域7及
びドレイン領域8が離間して形成され、これらのソース
領域7及びドレイン領域8上に各々コンタクト層9及び
10が形成され、各々のコンタクト層9及び10上にA
lからなるソース電極11及びドレイン電極12が形成
されている。
【0022】本発明のメモリセルは、半導体層として多
結晶シリコンに代えて、単結晶半導体層で構成すること
もできる。その場合における単結晶半導体層は絶縁基板
上に形成された多結晶半導体層を電子ビーム、レーザー
ビーム等の加熱手段により加熱して再結晶化することに
より形成される。
【0023】また、半導体層がキャリア移動度の低い非
晶質半導体層でないことを前提にして説明したが、移動
度が低いことを問題としない場合には、本発明の構成を
非晶質半導体を用いた不揮発性メモリセルに対して適用
することも可能である。
【0024】以上の説明においては、単一のメモリセル
を形成する場合について説明したが、通常使用されてい
るメモリは単一のメモリセルで構成されているのではな
く、基板上に複数のメモリが形成されている。この通常
のメモリにおいては電極及び/又はセル同士間を電気的
に分離する必要がある。その場合、このようなメモリを
構成するためには電極間及び/又はセル同士間を電気的
に分離するための層間絶縁膜及び/又はパッシベーショ
ン膜等を形成する必要があることはいうまでもない。
【0025】また、SRAMと同様に多結晶シリコン薄
膜を用いてCMOSのフリップ・フロップを形成し、そ
のキャパシタの誘電体として強誘電体薄膜を用いること
により、書き込み/読み出し時間の向上及び書換回数の
向上を図ることも可能である。
【0026】図2に本願発明の他の実施例を示す。この
実施例に示す1トランジスタ+1キャパシタDRAM型
メモリセルは半導体層6表面にソース領域7及びドレイ
ン領域8が離間して形成された図1(a)に示した実施
例と異なり、ソース領域7及びドレイン領域8が半導体
層6の厚さの全体に亘り形成されている。
【0027】このような構成を採ることにより、ソース
領域7とドレイン領域8との間に形成される電界が平等
電界になるため、ゲート電極4によるチャネルの制御が
より効果的に行われる。また、ゲート電極4を省略し
て、記憶電極2によってチャネルを制御することも可能
である。
【0028】なお、本願発明は実施例において説明した
単純な形状のメモリセルだけではなく、一般的に用いら
れているトレンチキャパシタあるいはスタックドキャパ
シタに対して適用することが可能である。
【0029】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本願発
明の不揮発性メモリセルは大面積のものを容易に得るこ
とができるから、従来のものと異なり高度な微細加工技
術を用いることなく大容量のメモリを得ることができる
と共に、大きなキャリア移動度を得ることができるか
ら、充分な書き込み/読み出し速度を得ることができ
る。
【0030】また、金属電極の存在により自発分極が熱
力学的に安定し、シリコン半導体に対して有害である強
誘電体薄膜中のPb原子あるいはO原子が、シリコン半
導体中に入り込むことがないとともにメモリ製造時にお
いて形成された強誘電体薄膜を加熱しないから、強誘電
体薄膜及び/又は半導体層の界面近傍に歪みあるいはク
ラックが入ることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明を1トランジスタ+1キャパシタDR
AM型メモリセルに適用した実施例の構成模式図及び等
価回路図。
【図2】本願発明を1トランジスタ+1キャパシタDR
AM型メモリセルに適用した他の実施例の構成模式図。
【符号の説明】
1 絶縁基板 2 記憶電極 3 強誘電体薄膜 4 ゲート電極 5 ゲート絶縁膜 6 半導体層 7 ソース領域 8 ドレイン領域 9,10 コンタクト層 11 ソース電極 12 ドレイン電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/788 29/792 (72)発明者 店村 悠爾 東京都中央区日本橋一丁目13番1号ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 長野 克人 東京都中央区日本橋一丁目13番1号ティ ーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−94571(JP,A) 特開 平2−94553(JP,A) 特開 平2−290079(JP,A) 特開 平3−22483(JP,A) 特開 平2−266570(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8247 H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 27/10 451 H01L 27/12 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁基板上に形成された記憶電極、 該記憶電極を覆って形成された強誘電体薄膜、 該強誘電体薄膜上に形成されたゲート電極、 該ゲート電極上に形成されたゲート絶縁膜、 該ゲート絶縁膜上に形成された半導体層、 該半導体層表面に離間して形成されたソ−ス領域及びド
    レイン領域、 前記ソース領域及び前記ドレイン領域上に各々形成され
    たソース電極及びドレイン電極からなることを特徴とす
    る不揮発性メモリセル。
  2. 【請求項2】 半導体層が多結晶半導体層であることを
    特徴とする請求項1記載の不揮発性メモリセル。
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