JP4706141B2 - Ferroelectric nonvolatile semiconductor memory and semiconductor device - Google Patents

Ferroelectric nonvolatile semiconductor memory and semiconductor device Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体型不揮発性半導体メモリ(所謂FERAM)、及び、強誘電体型不揮発性半導体メモリとその周辺回路から構成された半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、大容量の強誘電体型不揮発性半導体メモリに関する研究が盛んに行われている。強誘電体型不揮発性半導体メモリ(以下、不揮発性メモリと略称する場合がある)は、高速アクセスが可能で、しかも、不揮発性であり、また、小型で低消費電力であり、更には、衝撃にも強く、例えば、ファイルのストレージやレジューム機能を有する各種電子機器、例えば、携帯用コンピュータや携帯電話、ゲーム機の主記憶装置としての利用、あるいは、音声や映像を記録するための記録メディアとしての利用が期待されている。
【0003】
この不揮発性メモリは、強誘電体薄膜の高速分極反転とその残留分極を利用し、強誘電体層を有するキャパシタ部の蓄積電荷量の変化を検出する方式の、高速書き換えが可能な不揮発性メモリであり、基本的には、メモリセル(キャパシタ部)と選択用トランジスタ(スイッチング用トランジスタ)とから構成されている。メモリセル(キャパシタ部)は、例えば、下部電極、上部電極、及び、これらの電極間に挟まれた強誘電体層から構成されている。この不揮発性メモリにおけるデータの書き込みや読み出しは、図24に示す強誘電体のP−Eヒステリシスループを応用して行われる。即ち、強誘電体層に外部電界を加えた後、外部電界を除いたとき、強誘電体層は自発分極を示す。そして、強誘電体層の残留分極は、プラス方向の外部電界が印加されたとき+Pr、マイナス方向の外部電界が印加されたとき−Prとなる。ここで、残留分極が+Prの状態(図24の「D」参照)の場合を「0」とし、残留分極が−Prの状態(図24の「A」参照)の場合を「1」とする。
【0004】
「1」あるいは「0」の状態を判別するために、強誘電体層に例えばプラス方向の外部電界を印加する。これによって、強誘電体層の分極は図24の「C」の状態となる。このとき、データが「0」であれば、強誘電体層の分極状態は、「D」から「C」の状態に変化する。一方、データが「1」であれば、強誘電体層の分極状態は、「A」から「B」を経由して「C」の状態に変化する。データが「0」の場合には、強誘電体層の分極反転は生じない。一方、データが「1」の場合には、強誘電体層に分極反転が生じる。その結果、メモリセル(キャパシタ部)の蓄積電荷量に差が生じる。選択された不揮発性メモリの選択用トランジスタをオンにすることで、この蓄積電荷を信号電流として検出する。データの読み出し後、外部電界を0にすると、データが「0」のときでも「1」のときでも、強誘電体層の分極状態は図24の「D」の状態となってしまう。即ち、読み出し時、データ「1」は、一旦、破壊されてしまう。それ故、データが「1」の場合、マイナス方向の外部電界を印加して、「D」、「E」という経路で「A」の状態とし、データ「1」を再度書き込む。
【0005】
現在主流となっている不揮発性メモリの構造及びその動作は、米国特許第4873664号において、S.Sheffiledらが提案したものである。この不揮発性メモリは、図25に回路図を示すように、2つの不揮発性メモリセルから構成されている。尚、図25において、1つの不揮発性メモリを点線で囲った。各不揮発性メモリは、例えば、選択用トランジスタTR11,TR12、メモリセル(キャパシタ部)FC11,FC12から構成されている。
【0006】
尚、2桁あるいは3桁の添字、例えば添字「11」は、本来、添字「1,1」と表示すべき添字であり、例えば「111」は、本来、添字「1,1,1」と表示すべき添字であるが、表示の簡素化のため、2桁あるいは3桁の添字で表示する。また、添字「M」を、例えば複数のメモリセルやプレート線を総括的に表示する場合に使用し、添字「m」を、例えば複数のメモリセルやプレート線を個々に表示する場合に使用し、添字「N」を、例えば選択用トランジスタやメモリユニットを総括的に表示する場合に使用し、添字「n」を、例えば選択用トランジスタやメモリユニットを個々に表示する場合に使用する。
【0007】
そして、それぞれのメモリセルに相補的なデータを書き込むことにより、1ビットを記憶する。図25において、符号「WL」はワード線を示し、符号「BL」はビット線を示し、符号「PL」はプレート線を意味する。1つの不揮発性メモリに着目すると、ワード線WL1は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。また、ビット線BL1,BL2は、センスアンプSAに接続されている。更には、プレート線PL1は、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。
【0008】
このような構造を有する不揮発性メモリにおいて、記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WL1を選択し、更には、プレート線PL1を駆動すると、相補的なデータが、対となったメモリセル(キャパシタ部)FC11,FC12から選択用トランジスタTR11,TR12を介して対となったビット線BL1,BL2に電圧(ビット線電位)として現れる。かかる対となったビット線BL1,BL2の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。
【0009】
1つの不揮発性メモリは、ワード線WL1、及び、対となったビット線BL1,BL2によって囲まれた領域を占めている。従って、仮に、ワード線及びビット線が最短ピッチで配置されるとすると、1つの不揮発性メモリの最小面積は、加工最小寸法をFとしたとき、8F2である。従って、このような構造を有する不揮発性メモリの最小面積は8F2である。
【0010】
このような構造の不揮発性メモリを大容量化しようとした場合、その実現は加工寸法の微細化に依存するしかない。また、1つの不揮発性メモリを構成するために2つの選択用トランジスタ及び2つのメモリセル(キャパシタ部)が必要とされる。更には、ワード線と同じピッチでプレート線を配設する必要がある。それ故、不揮発性メモリを最小ピッチで配置することは殆ど不可能であり、現実には、1つの不揮発性メモリの占める面積は、8F2よりも大幅に増加してしまう。
【0011】
しかも、不揮発性メモリと同等のピッチで、ワード線デコーダ/ドライバWD及びプレート線デコーダ/ドライバPDを配設する必要がある。言い換えれば、1つのロー・アドレスを選択するために2つのデコーダ/ドライバが必要とされる。従って、周辺回路のレイアウトが困難となり、しかも、周辺回路の占有面積も大きなものとなる。
【0012】
不揮発性メモリの面積を縮小する手段の1つが、特開平9−121032号公報から公知である。図26に等価回路を示すように、この特許公開公報に開示された不揮発性メモリは、1つの選択用トランジスタTR1の一端に並列にそれぞれの一端が接続された複数のメモリセルMC1M(例えば、M=4)から構成され、かかるメモリセルと対となったメモリセルも、1つの選択用トランジスタTR2の一端に並列にそれぞれの一端が接続された複数のメモリセルMC2Mから構成されている。選択用トランジスタTR1,TR2の他端は、それぞれ、ビット線BL1,BL2に接続されている。対となったビット線BL1,BL2は、センスアンプSAに接続されている。また、メモリセルMC1m,MC2m(m=1,2・・・M)の他端はプレート線PLmに接続されており、プレート線PLmはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WLは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。
【0013】
そして、対となったメモリセルMC1m,MC2m(m=1,2・・・M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC1m,MC2m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLを選択し、プレート線PLj(m≠j)には(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC1m,MC2mから選択用トランジスタTR1,TR2を介して対となったビット線BL1,BL2に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL1,BL2の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。
【0014】
対となった不揮発性メモリにおける一対の選択用トランジスタTR1及びTR2は、ワード線WL、及び、対となったビット線BL1,BL2によって囲まれた領域を占めている。従って、仮に、ワード線及びビット線が最短ピッチで配置されるとすると、対となった不揮発性メモリにおける一対の選択用トランジスタTR1及びTR2の最小面積は、8F2である。しかしながら、一対の選択用トランジスタTR1,TR2を、M組の対となったメモリセルMC1m,MC2m(m=1,2・・・M)で共有するが故に、1ビット当たりの選択用トランジスタTR1,TR2の数が少なくて済み、また、ワード線WLの配置も緩やかなので、不揮発性メモリの縮小化を図り易い。しかも、周辺回路についても、1本のワード線デコーダ/ドライバWDとM本のプレート線デコーダ/ドライバPDでMビットを選択することができる。従って、このような構成を採用することで、セル面積が8F2に近いレイアウトを実現可能であり、DRAM並のチップサイズを実現することができる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
特開平9−121032号公報に開示された不揮発性メモリの面積を縮小する手法は、非常に効果的な手法であるが、不揮発性メモリの面積の更に一層の縮小に対する強い要望がある。このような要望に対処するための方策の1つに、複数のメモリセルから成るメモリユニットを積層する方法が考えられる。このような方法を採用した不揮発性メモリを含む半導体装置の模式的な一部断面図を図27及び図28に例示する。尚、図27はビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図であり、図28はワード線の延びる方向と平行な仮想垂直面で半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図である。また、図27において、メモリユニットMU1とメモリユニットMU2とは同一仮想垂直面に位置しておらず、しかも、選択用トランジスタTR1と選択用トランジスタTR2とは同一仮想垂直面に位置していないが、図面を簡素化するために、図27に一緒に図示した。等価回路は図26に示したとおりである。
【0016】
この不揮発性メモリは、
(1)2本のビット線BL1,BL2と、
(2)半導体基板10に形成された2つの選択用トランジスタTR1,TR2と、
(3)それぞれが4個のメモリセルから構成された、2個のメモリユニットMU1,MU2と、
(4)4本のプレート線、
から構成されている。
【0017】
そして、メモリユニットMU1は、絶縁層16を介して選択用トランジスタTR1の上方に形成されており、2個のメモリユニットMU1,MU2は層間絶縁層26を介して積層されている。また、各メモリセルは、第1の電極21,31と強誘電体層23,33と第2の電極24,34とから成り、各メモリユニットMU1,MU2において、メモリセルの第1の電極21,31は共通である。更には、第n番目(但し、n=1,2,3,4)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2,3,4)のメモリセルの第2の電極24,34は、メモリユニットMU1,MU2間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されている。尚、図27には、プレート線が接続された状態の図示は省略した。そして、選択用トランジスタTR1の一方のソース/ドレイン領域13Aはビット線BL1に接続され、選択用トランジスタTR2の一方のソース/ドレイン領域13Aはビット線BL2に接続されている。尚、図27において、ビット線BL1,BL2は左右方向に延びているが、図面を簡素化するために、ビット線BL1,BL2の一部のみを図示した。
【0018】
また、選択用トランジスタTR1の他方のソース/ドレイン領域13Bは、絶縁層16に設けられた接続孔17を介して、メモリユニットMU1における共通の第1の電極21に接続されている。一方、選択用トランジスタTR2の他方のソース/ドレイン領域13は、絶縁層16、及び、層間絶縁層26に設けられた接続孔27Aを介して、メモリユニットMU2における共通の第1の電極31に接続されている。
【0019】
更に、図27に示す周辺回路においては、ゲート電極112及びソース/ドレイン領域113から成るトランジスタTRP1,TRP2等から構成されたセンスアンプSA等が設けられている。一方、図28に示す周辺回路においては、ゲート電極212及びソース/ドレイン領域213から成るトランジスタTRP3,TRP4,TRP5等から構成されたワード線デコーダ/ドライバWDやプレート線デコーダ/ドライバPD等が設けられている。
【0020】
尚、図27及び図28中、参照番号36A,46Aは絶縁膜であり、参照番号150,250,251A,251Bは、メタル配線であり、参照番号47Aは、メタル配線材料から成るパッド部であり、参照番号37A,37B,47Bは、不揮発性メモリにおける接続孔(コンタクトホール)であり、参照番号337A,337Bは周辺回路における接続孔(コンタクトホール)である。
【0021】
このような構造を有する不揮発性メモリにおいては、第2の電極24,34から延びるプレート線PLと、周辺回路に相当するプレート線デコーダ/ドライバPDを構成するトランジスタとを電気的に接続するためには、従来の考え方では、メタル配線251A,251B及び接続孔(コンタクトホール)37A,37B,37Bを採用する方法が一般的である。
【0022】
ところが、このような方法では、メタル配線の層数が増加するといった問題を内在している。また、多数の層間絶縁層や絶縁膜を積層した状態で接続孔(コンタクトホール)を形成する場合、接続孔のアスペクト比が大きくなるが故に、接続孔の形成が困難となる虞がある。層間絶縁層や絶縁膜を形成する毎に接続孔を形成する方法も考えられるが、接続孔を形成した後、第1の電極を構成する第1電極材料層を成膜し、かかる第1電極材料層をエッチングによってパターニングしたとき、接続孔の頂面が露出し、接続孔の頂面がエッチングされて損傷を生じる虞がある。更には、第1の電極を構成する第1電極材料層を成膜し、かかる第1電極材料層をエッチングによってパターニングしたとき、かかる第1電極材料層を一種のパッド部として接続孔の頂面に残す方法も考えられるが、第2の電極を構成する第2電極材料層を成膜し、かかる第2電極材料層をエッチングによってパターニングしたとき、第1電極材料層から成るパッド部がエッチングされ、接続孔の頂面が露出し、接続孔の頂面がエッチングされて損傷を生じる虞がある。
【0023】
従って、本発明の第1の目的は、複数のメモリセルが層間絶縁層を介して積層されたマルチスタック構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、接続孔の頂面に損傷が生じ難い構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリを提供することにある。
【0024】
更に、本発明の第2の目的は、上記の第1の目的に加えて、接続孔(コンタクトホール)を確実に形成することができる強誘電体型不揮発性半導体メモリを提供することにある。
【0025】
また、本発明の第3の目的は、周辺回路の配線層数の減少を可能とする、強誘電体型不揮発性半導体メモリとその周辺回路から構成された半導体装置を提供することにある。
【0026】
【課題を解決するための手段】
上記の第1の目的を達成するための本発明の第1の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリは、トランジスタが形成された半導体基板の上に設けられた絶縁層上に、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成るメモリセルが、(N−1)層の層間絶縁層(但し、N≧2)を介して、N層、積層された構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
該トランジスタのソース/ドレイン領域及び/又はゲート電極の上の絶縁層、及び、絶縁層と層間絶縁層には、接続孔が形成され、
絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第1層目のメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第1層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されていることを特徴とする。
【0027】
本発明の第1の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにあっては、第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)の層間絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第(k+1)層目のメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第(k+1)層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されている構造とすることが好ましく、これによって、上記の第2の目的を達成することができる。
【0028】
上記の第1及び第2の目的を達成するための本発明の第2の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)ビット線と、
(B)選択用トランジスタと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個(但し、N≧2)のメモリユニットと、
(D)M×N本のプレート線、
から成り、
第1層目のメモリユニットは、絶縁層を介して選択用トランジスタの上方に形成されており、
N個のメモリユニットは、(N−1)層の層間絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、第[(n−1)M+m]番目のプレート線に接続されており、
選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域はビット線に接続され、
選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、更に、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれを介して、第(k+1)層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
絶縁層に形成された第1層目の接続孔の頂面は、第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された第(k+1)層目の接続孔の頂面は、第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されていることを特徴とする。
【0029】
上記の第1及び第2の目的を達成するための本発明の第3の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)ビット線と、
(B)N個(但し、N≧2)の選択用トランジスタと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
第1層目のメモリユニットは、絶縁層を介して選択用トランジスタの上方に形成されており、
N個のメモリユニットは、(N−1)層の層間絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、メモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
各選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域はビット線に接続され、
第1番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
第(k+1)番目(但し、k=1,2・・・,N−1)の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれを介して、第(k+1)層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
絶縁層に形成された第1層目の接続孔の頂面は、第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された第(k+1)層目の接続孔の頂面は、第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されていることを特徴とする。
【0030】
上記の第1及び第2の目的を達成するための本発明の第4の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリは、
(A)N本(但し、N≧2)ビット線と、
(B)N個の選択用トランジスタと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
第1層目のメモリユニットは、絶縁層を介して選択用トランジスタの上方に形成されており、
N個のメモリユニットは、(N−1)層の層間絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、メモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
第n番目の選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は第n番目のビット線に接続され、
第1番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
第(k+1)番目(但し、k=1,2・・・,N−1)の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれを介して、第(k+1)層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
絶縁層に形成された第1層目の接続孔の頂面は、第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された第(k+1)層目の接続孔の頂面は、第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されていることを特徴とする。
【0031】
上記の第3の目的を達成するための本発明の半導体装置は、
(a)選択用トランジスタが形成された半導体基板の上に設けられた絶縁層上に、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成るメモリセルが、(N−1)層の層間絶縁層(但し、N≧2)を介して、N層、積層された構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリと、
(b)強誘電体型不揮発性半導体メモリを駆動するための周辺回路、
から構成された半導体装置であって、
周辺回路は、半導体基板に形成されたトランジスタと、絶縁層上及び層間絶縁層上に形成された配線と、トランジスタと配線とを接続する接続孔から構成され、
接続孔は、該トランジスタのソース/ドレイン領域及び/又はゲート電極の上の絶縁層、及び、絶縁層と層間絶縁層に形成され、
絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第1層目のメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第1層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
絶縁層上に形成された配線は、少なくとも、第1層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層から成り、
第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)の層間絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第(k+1)層目のメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第(k+1)層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第k層目の層間絶縁層上に形成された配線は、少なくとも、第(k+1)層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層から成ることを特徴とする。
【0032】
本発明の半導体装置にあっては、絶縁層上に形成された配線は、第1層目のメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第1層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造から成り、
第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)の層間絶縁層上に形成された配線は、第(k+1)層目のメモリセルを構成する第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第(k+1)層目のメモリセルを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造から成る構成とすることもできる。
【0033】
また、本発明の半導体装置における強誘電体型不揮発性半導体メモリの構成を、本発明の第2の態様〜第4の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリとすることもできる。
【0034】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリあるいは半導体装置(以下、これらを総称して、単に、本発明と呼ぶ場合がある)においては、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。また、本発明の第2の態様〜第4の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0035】
本発明の第2の態様〜第4の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、実用的には、かかる強誘電体型不揮発性半導体メモリを一対とし(便宜上、不揮発性メモリ−A、不揮発性メモリ−Bと呼ぶ)、一対の強誘電体型不揮発性半導体メモリを構成するビット線は、同一のセンスアンプに接続されている構成とすることができる。そして、この場合、不揮発性メモリ−Aを構成する選択用トランジスタと、不揮発性メモリ−Bを構成する選択用トランジスタとは、同一のワード線に接続されていてもよいし、異なるワード線に接続されていてもよい。不揮発性メモリ−A及び不揮発性メモリ−Bの構成及び動方法に依り、不揮発性メモリ−Aと不揮発性メモリ−Bとを構成するそれぞれのメモリセルに1ビットを記憶させることもできるし、不揮発性メモリ−Aを構成するメモリセルの1つと、このメモリセルと同じプレート線に接続された不揮発性メモリ−Bを構成するメモリセルの1つとを対として、これらの対となったメモリセルに相補的なデータを記憶させることもできる。
【0036】
強誘電体型不揮発性半導体メモリにおける強誘電体層を構成する材料として、ビスマス層状化合物、より具体的には、Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料を挙げることができる。Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料は、所謂不定比化合物に属し、金属元素、アニオン(O等)元素の両サイトにおける組成ずれに対する寛容性がある。また、化学量論的組成からやや外れたところで最適な電気的特性を示すことも珍しくない。Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料は、例えば、一般式(Bi222+(Am-1m3m+12-で表すことができる。ここで、「A」は、Bi、Pb、Ba、Sr、Ca、Na、K、Cd等の金属から構成された群から選択された1種類の金属を表し、「B」は、Ti、Nb、Ta、W、Mo、Fe、Co、Crから成る群から選択された1種類、若しくは複数種の任意の比率による組み合わせを表す。また、mは1以上の整数である。
【0037】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
(BiX,Sr1-X2(SrY,Bi1-Y)(TaZ,Nb1-Z2d 式(1)
(但し、0.9≦X≦1.0、0.7≦Y≦1.0、0≦Z≦1.0、8.7≦d≦9.3)で表される結晶相を主たる結晶相として含んでいることが好ましい。あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
BiXSrYTa2d 式(2)
(但し、X+Y=3、0.7≦Y≦1.3、8.7≦d≦9.3)で表される結晶相を主たる結晶相として含んでいることが好ましい。これらの場合、式(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主たる結晶相として85%以上含んでいることが一層好ましい。尚、式(1)中、(BiX,Sr1-X)の意味は、結晶構造における本来Biが占めるサイトをSrが占め、このときのBiとSrの割合がX:(1−X)であることを意味する。また、(SrY,Bi1-Y)の意味は、結晶構造における本来Srが占めるサイトをBiが占め、このときのSrとBiの割合がY:(1−Y)であることを意味する。式(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主たる結晶相として含む強誘電体層を構成する材料には、Biの酸化物、TaやNbの酸化物、Bi、TaやNbの複合酸化物が若干含まれている場合もあり得る。
【0038】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料は、
BiX(Sr,Ca,Ba)Y(TaZ,Nb1-Z2d 式(3)
(但し、1.7≦X≦2.5、0.6≦Y≦1.2、0≦Z≦1.0、8.0≦d≦10.0)で表される結晶相を含んでいてもよい。尚、「(Sr,Ca,Ba)」は、Sr、Ca及びBaから構成された群から選択された1種類の元素を意味する。これらの各式で表される強誘電体層を構成する材料の組成を化学量論的組成で表せば、例えば、Bi2SrTa29、Bi2SrNb29、Bi2BaTa29、Bi2Sr(Ta,Nb)29等を挙げることができる。あるいは又、強誘電体層を構成する材料として、Bi4SrTi415、Bi3TiNbO9、Bi3TiTaO9、Bi4Ti312、Bi2PbTa29等を例示することができるが、これらの場合においても、各金属元素の比率は、結晶構造が変化しない程度に変化させ得る。即ち、金属元素及び酸素元素の両サイトにおける組成ずれがあってもよい。
【0039】
あるいは又、強誘電体層を構成する材料として、PbTiO3、ペロブスカイト型構造を有するPbZrO3とPbTiO3の固溶体であるチタン酸ジルコン酸鉛[PZT,Pb(Zr1-y,Tiy)O3(但し、0<y<1)]、PZTにLaを添加した金属酸化物であるPLZT、あるいはPZTにNbを添加した金属酸化物であるPNZTといったPZT系化合物を挙げることができる。
【0040】
強誘電体層を得るためには、強誘電体薄膜を形成した後の工程において、強誘電体薄膜をパターニングすればよい。場合によっては、強誘電体薄膜のパターニングは不要である。強誘電体薄膜の形成は、例えば、MOCVD法、パルスレーザアブレーション法、スパッタ法、ゾル−ゲル法といった強誘電体薄膜を構成する材料に適宜適した方法にて行うことができる。また、強誘電体薄膜のパターニングは、例えば異方性イオンエッチング(RIE)法にて行うことができる。
【0041】
本発明の第2の態様〜第4の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいては、強誘電体層の下に第1の電極を形成し、強誘電体層の上に第2の電極を形成する構成(即ち、第1の電極は下部電極に相当し、第2の電極は上部電極に相当する)とすることもできるし、強誘電体層の上に第1の電極を形成し、強誘電体層の下に第2の電極を形成する構成(即ち、第1の電極は上部電極に相当し、第2の電極は下部電極に相当する)とすることもできる。プレート線は、第2の電極から延在している構成とすることが、配線構造の簡素化といった観点から好ましい。第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造にあっては、前者の場合、第1の導電体層が下であり、第2の導電体層が上である。一方、後者の場合、第2の導電体層が下であり、第1の導電体層が上である。第1の電極が共通である構造として、具体的には、ストライプ状の第1の電極を形成し、かかるストライプ状の第1の電極の全面を覆うように強誘電体層を形成する構成を挙げることができる。尚、このような構造においては、第1の電極と強誘電体層と第2の電極の重複領域がメモリセルに相当する。第1の電極が共通である構造として、その他、第1の電極の所定の領域に、それぞれの強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造、あるいは又、配線層の所定の表面領域に、それぞれの第1の電極が形成され、かかるそれぞれの第1の電極上に強誘電体層が形成され、強誘電体層上に第2の電極が形成された構造を挙げることができるが、これらの構成に限定するものではない。
【0042】
更には、本発明の第2の態様〜第4の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリにおいて、強誘電体層の下に第1の電極を形成し、強誘電体層の上に第2の電極を形成する構成の場合、メモリセルを構成する第1の電極や第1の導電体層は、所謂ダマシン構造を有しており、強誘電体層の上に第1の電極を形成し、強誘電体層の下に第2の電極を形成する構成の場合、メモリセルを構成する第2の電極は、所謂ダマシン構造を有していることが、強誘電体層を平坦な下地上に形成することができるといった観点から好ましい。
【0043】
本発明において、第1の電極、第1の導電体層、第2の電極及び第2の導電体層を構成する材料として、例えば、Ir、IrO2-X、SrIrO3、Ru、RuO2-X、SrRuO3、Pt、Pt/IrO2-X、Pt/RuO2-X、Pd、Pt/Tiの積層構造、Pt/Taの積層構造、Pt/Ti/Taの積層構造、La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)、Pt/LSCOの積層構造、YBa2Cu37を挙げることができる。ここで、Xの値は、0≦X<2である。尚、積層構造においては、「/」の前に記載された材料が上層を構成し、「/」の後ろに記載された材料が下層を構成する。第1の電極と第2の電極、あるいは、第1の導電体層と第2の導電体層は、同じ材料から構成されていてもよいし、同種の材料から構成されていてもよいし、異種の材料から構成されていてもよい。第1の電極、第1の導電体層、あるいは、第2の電極、第2の導電体層を形成するためには、第1の導電材料層あるいは第2の導電材料層を形成した後の工程において、第1の導電材料層あるいは第2の導電材料層をパターニングすればよい。第1の導電材料層あるいは第2の導電材料層の形成は、例えばスパッタ法、反応性スパッタ法、電子ビーム蒸着法、MOCVD法、あるいはパルスレーザアブレーション法といった第1の導電材料層や第2の導電材料層を構成する材料に適宜適した方法にて行うことができる。また、第1の導電材料層や第2の導電材料層のパターニングは、例えばイオンミーリング法やRIE法にて行うことができる。
【0044】
選択用トランジスタ(スイッチング用トランジスタ)や各種のトランジスタは、例えば、周知のMIS型FETやMOS型FETから構成することができる。ビット線を構成する材料として、不純物がドーピングされたポリシリコンや高融点金属材料を挙げることができる。接続孔は、例えば、タングステンプラグを埋め込むことによって得ることができる。
【0045】
本発明において、絶縁層や層間絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(SiN)、SiON、SOG、NSG、BPSG、PSG、BSGあるいはLTOを例示することができる。
【0046】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリあるいは半導体装置において、接続孔の頂面は、第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されているので、接続孔の頂面に損傷が生じ難い。更には、層間絶縁層のそれぞれに接続孔を形成するので、接続孔のアスペクト比が左程大きくなることがない。本発明の半導体装置にあっては、周辺回路を構成する配線は、少なくとも、第2の電極と同時に形成された第2の導電体層から構成されているので、周辺回路の配線層数を減少させることができる。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、発明の実施の形態(以下、実施の形態と略称する)に基づき本発明を説明する。
【0048】
(実施の形態1)
実施の形態1は、本発明の第1の態様及び第2の態様に係る強誘電体型不揮発性半導体メモリ(以下、不揮発性メモリと略称する)、並びに、本発明の半導体装置に関する。ビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で実施の形態1の半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図を図1に示し、ワード線の延びる方向と平行な仮想垂直面(図1の矢印A−A参照)で実施の形態1の半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図を図2に示す。更には、本発明の第2の態様に係る不揮発性メモリの概念的な回路図を図3の(A)及び(B)に示し、図3の(A)の概念的な回路図のより具体的な回路図を図4に示し、図3の(B)の概念的な回路図のより具体的な回路図を図5に示す。尚、図4及び図5には、2つの不揮発性メモリM1,M2を図示するが、これらの不揮発性メモリM1,M2の構造は同一であり、以下においては、不揮発性メモリM1に関しての説明を行う。
【0049】
実施の形態1の不揮発性メモリは、トランジスタTR1,TRP1〜TRP5が形成された半導体基板10の上に設けられた絶縁層16上に、第1の電極21,31と強誘電体層23,33と第2の電極24,34とから成るメモリセルMC111〜MC114,MC121〜MC124が、(N−1)層の層間絶縁層(但し、N≧2であり、実施の形態1においては、N=2)26を介して、N層(具体的には2層)、積層された構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリである。
【0050】
そして、トランジスタTR1,TRP1〜TRP5のソース/ドレイン領域13,113,213及び/又はゲート電極12,112,212の上の絶縁層16と層間絶縁層26には、接続孔17,117,27,127,217,227が形成され、絶縁層16に形成された接続孔17,117,217の頂面は、第1層目のメモリセルを構成する第1の電極21と同時に形成された第1の導電体層22,122、及び、第1層目のメモリセルを構成する第2の電極24と同時に形成された第2の導電体層25,125の積層構造によって被覆されている。
【0051】
更には、第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1である、実施の形態1においては、k=1)の層間絶縁層26に形成された接続孔27,127,227の頂面は、第(k+1)層目(実施の形態1においては、第2層目)のメモリセルを構成する第1の電極31と同時に形成された第1の導電体層32,132、及び、第(k+1)層目(実施の形態1においては、第2層目)のメモリセルを構成する第2の電極34と同時に形成された第2の導電体層35,135の積層構造によって被覆されている。尚、第1の導電体層32及び第2の導電体層35の積層構造によって被覆さた接続孔27の図示は省略した。以下の実施の形態においても同様である。
【0052】
あるいは又、実施の形態1の不揮発性メモリM1は、
(A)ビット線BL1と、
(B)選択用トランジスタTR1と、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態1においては、M=4)のメモリセルMC1NMから構成された、N個(但し、N≧2であり、実施の形態1においては、N=2)のメモリユニットMU11,MU12と、
(D)M×N本のプレート線PL、
から成る。
【0053】
そして、第1層目のメモリユニットMU11は、絶縁層16を介して選択用トランジスタTR1の上方に形成されており、N個のメモリユニットMUNは、(N−1)層(実施の形態1においては、1層)の層間絶縁層26を介して積層されている。
【0054】
また、第1層目のメモリユニットMU11を構成する各メモリセルMC11Mは、第1の電極21と強誘電体層23と第2の電極24とから成り、第2層目のメモリユニットMU12を構成する各メモリセルMC12Mは、第1の電極31と強誘電体層33と第2の電極34とから成る。更には、各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通である。即ち、第1層目のメモリユニットMU11において、メモリセルMC11Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCN11と呼ぶ場合がある。また、第2層目のメモリユニットMU12において、メモリセルMC12Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCN12と呼ぶ場合がある。更には、第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMU1nにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルMC1nmの第2の電極24,34は、第[(n−1)M+m]番目のプレート線PL(n-1)M+mに接続されている。尚、このプレート線PL(n-1)M+mは、不揮発性メモリM2を構成する各メモリセルの第2の電極24,34にも接続されている。実施の形態1においては、より具体的には、各プレート線は、第2の電極24,34から延在している。
【0055】
そして、選択用トランジスタTR1の一方のソース/ドレイン領域13Aはビット線BL1に接続され、選択用トランジスタTR1の他方のソース/ドレイン領域13Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17を介して、第1層目のメモリユニットMU11における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN11)に接続されている。更には、選択用トランジスタTR1の他方のソース/ドレイン領域13Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれ(実施の形態1においては、より具体的には、第1層目の層間絶縁層26に設けられた第2層目の接続孔27)を介して、第(k+1)層目のメモリユニット(実施の形態1においては、より具体的には、第2層目のメモリユニットMU12)における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN12)に接続されている。
【0056】
尚、N=4とした場合には、選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、
(1)絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
(2)絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、第1層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、及び、第1層の層間絶縁層に設けられた第2層目の接続孔を介して、第2層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
(3)絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、第1層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、第1層の層間絶縁層に設けられた第2層目の接続孔、第2層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、及び、第2層の層間絶縁層に設けられた第3層目の接続孔を介して、第3層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
(4)絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、第1層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、第1層の層間絶縁層に設けられた第2層目の接続孔、第2層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、第2層の層間絶縁層に設けられた第3層目の接続孔、第3層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、及び、第3層の層間絶縁層に設けられた第4層目の接続孔を介して、第4層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続された構造を有する。
【0057】
実施の形態1の不揮発性メモリM1にあっては、絶縁層16に形成された第1層目の接続孔17の頂面は、第1層目のメモリユニットMU11のメモリセルMC11Mを構成する第1の電極21と同時に形成された第1の導電体層22、及び、第1層目のメモリユニットMU11のメモリセルMC11Mを構成する第2の電極24と同時に形成された第2の導電体層25の積層構造によって被覆されている。一方、第k層目(実施の形態1においては、第1層目)の層間絶縁層26に形成された第(k+1)層目(実施の形態1においては、第2層目)の接続孔27の頂面は、第(k+1)層目(実施の形態1においては、第2層目)のメモリユニットMU12のメモリセルMC12Mを構成する第1の電極31と同時に形成された第1の導電体層32、及び、第(k+1)層目のメモリユニットMU12のメモリセルMC12Mを構成する第2の電極34と同時に形成された第2の導電体層35の積層構造によって被覆されている。
【0058】
ビット線BLnは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PL(n-1)M+mはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WL(あるいはワード線WL1,WL2)は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線WLは、図1の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリM1を構成するメモリセルMC11mの第2の電極24は、図1の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成するメモリセルMC21mの第2の電極と共通であり、プレート線PL(n-1)M+mを兼ねている。更には、不揮発性メモリM1を構成するメモリセルMC12mの第2の電極34は、図1の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成するメモリセルMC22mの第2の電極と共通であり、プレート線PL(n-1)M+mを兼ねている。また、ワード線WLは、不揮発性メモリM1を構成する選択用トランジスタTR1と、図1の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成する選択用トランジスタTR2とで共通である。
【0059】
また、実施の形態1の半導体装置は、
(a)選択用トランジスタTR1が形成された半導体基板10の上に設けられた絶縁層16上に、第1の電極21,31と強誘電体層23,33と第2の電極24,34とから成るメモリセルMC11m,MC12mが、(N−1)層の層間絶縁層(但し、N≧2であり、実施の形態1においては、N=2)を介して、N層、積層された構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリと、
(b)強誘電体型不揮発性半導体メモリを駆動するための周辺回路、
から構成されている。
【0060】
そして、周辺回路は、半導体基板10に形成されたトランジスタTRP1〜TRP5と、絶縁層16上及び層間絶縁層26上に形成された配線129,139(図2参照)と、トランジスタTRP1〜TRP5と配線129,139とを接続する接続孔117,127,217,227から構成されている。更には、接続孔117,127,217,227は、トランジスタTRP1〜TRP5のソース/ドレイン領域113,213及び/又はゲート電極112,212(ワード線として機能するゲート電極の延在部を含む)の上の絶縁層16、若しくは、絶縁層16と層間絶縁層26に形成されている。尚、図1には、周辺回路を構成する配線の図示を省略したが、この周辺回路にも、配線が形成されている。センスアンプSAは、ゲート電極112及びソース/ドレイン領域113から成るトランジスタTRP1,TRP2等から構成されている。また、ワード線デコーダ/ドライバWDやプレート線デコーダ/ドライバPDは、ゲート電極212及びソース/ドレイン領域213から成るトランジスタTRP3,TRP4,TRP5等から構成されている。
【0061】
また、絶縁層16に形成された接続孔117,217の頂面は、第1層目のメモリセルMC11mを構成する第1の電極21と同時に形成された第1の導電体層122、及び、第1層目のメモリセルMC11mを構成する第2の電極24と同時に形成された第2の導電体層125の積層構造によって被覆されている。更には、絶縁層16上に形成された配線129は、第1層目のメモリセルMC11mを構成する第2の電極24と同時に形成された第2の導電体層125から成る。
【0062】
一方、第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1であり、実施の形態1においては、k=1)の層間絶縁層26に形成された接続孔127,227の頂面は、第(k+1)層目(実施の形態1においては第2層目)のメモリセルMC12mを構成する第1の電極31と同時に形成された第1の導電体層132、及び、第(k+1)層目のメモリセルMC12mを構成する第2の電極34と同時に形成された第2の導電体層135の積層構造によって被覆されている。更には、第k層目の層間絶縁層26上に形成された配線139は、第(k+1)層目のメモリセルMC12mを構成する第2の電極34と同時に形成された第2の導電体層135から成る。尚、図2において、配線139の一部を点線で表しているが、これは、絶縁膜36Aに設けられた接続孔237Aとの接触を避けるように配線139を形成したことを意味する。
【0063】
尚、図1及び図2中、参照番号46Aは絶縁膜であり、参照番号150,250はメタル配線であり、参照番号137A,237Aは周辺回路において、絶縁膜36Aに設けられた接続孔(コンタクトホール)である。
【0064】
図3の(A)及び図4に回路図を示す不揮発性メモリM1,M2において、不揮発性メモリM1,M2を構成する選択用トランジスタTR1,TR2は同じワード線WLに接続されている。そして、対となったメモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2、及び、m=1,2・・・M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC1nm,MC2nm(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WLを選択し、プレート線PLj(m≠j)には(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PL(n-1)M+mを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmから選択用トランジスタTR1,TR2を介して対となったビット線BL1,BL2に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL1,BL2の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、不揮発性メモリM1,M2を構成する選択用トランジスタTR1,TR2を、それぞれ、異なるワード線WL1,WL2に接続し、メモリセルMC1nm,MC2nmを独立して制御し、対となったビット線BL1,BL2の一方に参照電圧を印加することによって、メモリセルMC1nm,MC2nmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の回路図は、図3の(B)及び図5を参照のこと。尚、選択用トランジスタTR1,TR2を同時に駆動すれば、図3の(A)及び図4に示した回路と等価となる。このように、各メモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2であり、m=1,2,3,4)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図3の(B)及び図5参照)、あるいは又、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図3の(A)及び図4参照)。実際の不揮発性メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶するメモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。尚、Mの値は4に限定されない。Mの値は、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。また、Nの値は、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0065】
以下、ビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で半導体基板等を切断したときの模式的な一部断面図である図6〜図8を参照して、実施例1の不揮発性メモリ及び半導体装置の製造方法の概要を説明する。尚、他の実施の形態における不揮発性メモリも実質的に同様の工程にて製造することができる。
【0066】
[工程−100]
先ず、不揮発性メモリにおける選択用トランジスタや周辺回路を構成するトランジスタとして機能するMOS型トランジスタを半導体基板10に形成する。そのために、例えばLOCOS構造を有する素子分離領域11を公知の方法に基づき形成する。尚、素子分離領域は、トレンチ構造を有していてもよいし、LOCOS構造とトレンチ構造の組合せとしてもよい。その後、半導体基板10の表面を例えばパイロジェニック法により酸化し、ゲート絶縁膜を形成する。次いで、不純物がドーピングされたポリシリコン層をCVD法にて全面に形成した後、ポリシリコン層をパターニングし、ゲート電極12,112,212を形成する。このゲート電極12,112,212はワード線を兼ねている。尚、ゲート電極12,112,212をポリシリコン層から構成する代わりに、ポリサイドや金属シリサイドから構成することもできる。次に、半導体基板10にイオン注入を行い、LDD構造を形成する。その後、全面にCVD法にてSiO2層を形成した後、このSiO2層をエッチバックすることによって、ゲート電極12の側面にゲートサイドウオール(図示せず)を形成する。次いで、半導体基板10にイオン注入を施した後、イオン注入された不純物の活性化アニール処理を行うことによって、ソース/ドレイン領域13A,13B,113,213を形成する。
【0067】
[工程−110]
次いで、SiO2から成る下層絶縁層をCVD法にて形成した後、一方のソース/ドレイン領域13Aの上方の下層絶縁層に開口部をRIE法にて形成する。そして、かかる開口部内を含む下層絶縁層上に不純物がドーピングされたポリシリコン層をCVD法にて形成する。これによって、コンタクトホールが形成される。次に、下層絶縁層上のポリシリコン層をパターニングすることによって、ビット線BL1を形成する。その後、BPSGから成る上層絶縁層をCVD法にて全面に形成する。尚、BPSGから成る上層絶縁層の形成後、窒素ガス雰囲気中で例えば900゜C×20分間、上層絶縁層をリフローさせることが好ましい。更には、必要に応じて、例えば化学的機械的研磨法(CMP法)にて上層絶縁層の頂面を化学的及び機械的に研磨し、上層絶縁層を平坦化することが望ましい。尚、下層絶縁層と上層絶縁層を纏めて、絶縁層16と呼ぶ。
【0068】
[工程−120]
次に、他方のソース/ドレイン領域13B及びソース/ドレイン領域113,213の上方の絶縁層16に開口部をRIE法にて形成した後、かかる開口部内を、不純物をドーピングしたポリシリコンで埋め込み、接続孔(コンタクトホール)17,117,217を完成させる(図6の(A)参照)。ビット線BLは、下層絶縁層上を、図の左右方向に接続孔17と接触しないように延びている。尚、図には、接続孔217は図示されていない。
【0069】
尚、接続孔17,117,217は、絶縁層16に形成された開口部内に、例えば、タングステン、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiNW、WSi2、MoSi2等の高融点金属や金属シリサイドから成る金属配線材料を埋め込むことによって形成することもできる。接続孔17,117,217の頂面は絶縁層16の表面と略同じ平面に存在していることが好ましい。タングステンにて開口部を埋め込み、接続孔17,117,217を形成する条件を、以下の表1に例示する。尚、タングステンにて開口部を埋め込む前に、Ti層及びTiN層を順に例えばマグネトロンスパッタ法にて開口部内を含む絶縁層16の上に形成することが好ましい。ここで、Ti層及びTiN層を形成する理由は、オーミックな低コンタクト抵抗を得ること、ブランケットタングステンCVD法における半導体基板10の損傷発生の防止、タングステンの密着性向上のためである。
【0070】

Figure 0004706141
【0071】
[工程−130]
次に、絶縁層16上に、窒化チタン(TiN)から成る密着層(図示せず)を形成することが望ましい。そして、密着層上にIrO2/Irから成る第1の電極(下部電極)21を構成する第1の導電材料層を、例えばスパッタ法にて形成し、第1の導電材料層及び密着層をフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術に基づきパターニングすることによって、ストライプ状の第1の電極21を得ることができる。併せて、絶縁層16に形成された接続孔17,117,217の頂面は、第1の電極21と同時に形成された第1の導電体層22(実施の形態1においては、更に、密着層)で被覆される(図6の(B)参照)。その後、全面に、CVD法にてSiO2膜あるいはSiO2/TiO2膜(図示せず)を形成し、CMP法にてこの膜を平坦化して、第1の電極21の間がこの膜によって埋め込まれた状態(所謂ダマシン構造)を得ることができる。CMP法においては、アルミナを含むスラリーを研磨剤として用いればよい。
【0072】
尚、絶縁層16上に例えばSiN膜を形成し、次いで、第1の電極や第1の導電体層を形成すべき部分のSiN膜を選択的に除去した後、SiN膜及び露出した絶縁層16上に密着層、第1の導電材料層を形成し、その後、CMP法にてSiN膜上の第1の導電材料層及び密着層を除去することによって、所謂ダマシン構造を有する第1の電極、第1の導電体層を形成することもできる。
【0073】
[工程−140]
その後、例えば、MOCVD法によって、Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料(具体的には、例えば、結晶化温度750゜CのBi2SrTa29)から成る強誘電体薄膜を全面に形成する。その後、250゜Cの空気中で乾燥処理を行った後、750゜Cの酸素ガス雰囲気で1時間の熱処理を施し、結晶化を促進させる。その後、強誘電体薄膜をパターニングして、強誘電体層23を形成する。
【0074】
[工程−150]
次に、IrO2-X層、Pt層を、スパッタ法にて、順次、全面に形成した後、フォトリソグラフィ技術、ドライエッチング技術に基づき、Pt層、IrO2-X層を順次、パターニングして、強誘電体層23上に第2の電極24を形成し、第2の電極24から延びるプレート線PLを形成し、更に、第1の導電体層22,122上に第2の導電体層25,125を形成し、加えて、配線129を形成する(図7の(A)参照)。尚、図7の(A)には、配線129は図示されていない。エッチングによって、強誘電体層23にダメージが加わる場合には、ダメージ回復に必要とされる温度にて、その後、ダメージ回復アニール処理を行えばよい。
【0075】
[工程−160]
その後、
・層間絶縁層26の形成及び平坦化処理
・開口部の形成及び接続孔27,127,227の形成(図7の(B)参照)
・例えば、ダマシン構造を有する第1の電極31、第1の導電体層32,132の形成(図8の(A)参照)
・結晶化温度700゜CのBi2Sr(Ta1.5Nb0.5)O9から成る強誘電体層33の形成
・第2の電極34、第2の導電体層35,135、配線139の形成(図8の(B)参照)
・絶縁膜36Aの形成
・コンタクトホール137A,237Aの形成
・例えばアルミニウム合金から成る金属配線層150,250の形成
・絶縁膜46Aの形成
を、順次、行う。尚、各図においては、上記の参照番号で表した構成要素が図示されていない場合がある。Bi2Sr(Ta1.5Nb0.5)O9から成る強誘電体層33に対して、結晶化促進のための熱処理を、700゜Cの酸素ガス雰囲気で1時間、行えばよい。
【0076】
尚、上方に位置するメモリユニットを構成する強誘電体層の結晶化温度を、下方に位置するメモリユニットを構成する強誘電体層の結晶化温度よりも低くすれば、積層されたメモリユニットの段数だけ結晶化熱処理を行っても、下方に位置するメモリユニットを構成するメモリセルの特性劣化といった問題は生じない。また、各段におけるメモリユニットを構成するメモリセルに対して、最適な条件での結晶化熱処理を行うことができ、特性の優れた不揮発性メモリを得ることができる。以下の表2に結晶化温度を例示する。
【0077】
[表2]
材料名 結晶化温度
Bi2SrTa29 700〜800゜C
Bi2Sr(Ta1.5,Nb0.5)O9 650〜750゜C
Bi4Ti312 600〜700゜C
Pb(Zr0.48,Ti0.52)O3 550〜650゜C
PbTiO3 500〜600゜C
【0078】
例えば、Bi2SrTa29から成る強誘電体薄膜の形成条件を以下の表3に例示する。尚、表3中、「thd」は、テトラメチルヘプタンジオネートの略である。また、表3に示したソース原料はテトラヒドロフラン(THF)を主成分とする溶媒中に溶解されている。
【0079】
Figure 0004706141
【0080】
あるいは又、Bi2SrTa29から成る強誘電体薄膜をパルスレーザアブレーション法、ゾル−ゲル法、あるいはRFスパッタ法にて全面に形成することもできる。これらの場合の形成条件を以下に例示する。尚、ゾル−ゲル法によって厚い強誘電体薄膜を形成する場合、所望の回数、スピンコート及び乾燥、あるいはスピンコート及び焼成(又は、アニール処理)を繰り返せばよい。
【0081】
[表4]
パルスレーザアブレーション法による形成
ターゲット:Bi2SrTa29
使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅25n秒、5Hz)
形成温度 :400〜800゜C
酸素濃度 :3Pa
【0082】
Figure 0004706141
【0083】
[表6]
RFスパッタ法による形成
ターゲット:Bi2SrTa29セラミックターゲット
RFパワー:1.2W〜2.0W/ターゲット1cm2
雰囲気圧力:0.2〜1.3Pa
形成温度 :室温〜600゜C
プロセスガス:Ar/O2の流量比=2/1〜9/1
【0084】
強誘電体層を、PZTあるいはPLZTから構成するときの、マグネトロンスパッタ法によるPZTあるいはPLZTの形成条件を以下の表7に例示する。あるいは又、PZTやPLZTを、反応性スパッタ法、電子ビーム蒸着法、ゾル−ゲル法、又はMOCVD法にて形成することもできる。
【0085】
[表7]
ターゲット :PZTあるいはPLZT
プロセスガス:Ar/O2=90体積%/10体積%
圧力 :4Pa
パワー :50W
形成温度 :500゜C
【0086】
更には、PZTやPLZTをパルスレーザアブレーション法にて形成することもできる。この場合の形成条件を以下の表8に例示する。
【0087】
[表8]
ターゲット:PZT又はPLZT
使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、パルス幅25n秒、3Hz)
出力エネルギー:400mJ(1.1J/cm2
形成温度 :550〜600゜C
酸素濃度 :40〜120Pa
【0088】
尚、絶縁層16上に形成された配線を、第1層目のメモリセルMC11mを構成する第1の電極21と同時に形成された第1の導電体層、及び、第1層目のメモリセルMC11mを構成する第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造から構成し、第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1であり、実施の形態1においては、k=1)の層間絶縁層26上に形成された配線を、第(k+1)層目のメモリセルMC12mを構成する第1の電極31と同時に形成された第1の導電体層、及び、第(k+1)層目のメモリセルMC12mを構成する第2の電極34と同時に形成された第2の導電体層の積層構造から構成することもできる。
【0089】
(実施の形態2)
実施の形態2は、本発明の第1の態様及び第3の態様に係る不揮発性メモリ、並びに、本発明の半導体装置に関する。ビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で実施の形態2の半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図を図9に示す。尚、ワード線の延びる方向と平行な仮想垂直面で実施の形態2の半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図は、実質的に図2に示したと同様の構成を有する。更には、本発明の第2の態様に係る不揮発性メモリの概念的な回路図を図10の(A)及び(B)に示し、図10の(A)の概念的な回路図のより具体的な回路図を図11に示し、図10の(B)の概念的な回路図のより具体的な回路図を図12に示す。尚、図11及び図12には、2つの不揮発性メモリM1,M2を図示するが、これらの不揮発性メモリM1,M2の構造は同一であり、以下においては、不揮発性メモリM1に関しての説明を行う。また、周辺回路は、実質的に実施の形態1の半導体装置における周辺回路と同じ構成とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0090】
実施の形態2の不揮発性メモリM1は、
(A)ビット線BL1と、
(B)N個(但し、N≧2であり、実施の形態2においては、N=2)の選択用トランジスタTR11,TR12と、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態2においては、M=4)のメモリセルMC11M,MC12Mから構成された、N個のメモリユニットMU11,MU12と、
(D)M本のプレート線PLM
から成る。
【0091】
そして、第1層目のメモリユニットMU11は、絶縁層16を介して選択用トランジスタTR11,TR21の上方に形成されており、N個のメモリユニットMU11,MU12は、(N−1)層(実施の形態2においては1層)の層間絶縁層26を介して積層されている。
【0092】
また、第1層目のメモリユニットMU11を構成する各メモリセルMC11Mは、第1の電極21と強誘電体層23と第2の電極24とから成り、第2層目のメモリユニットMU12を構成する各メモリセルMC12Mは、第1の電極31と強誘電体層33と第2の電極34とから成る。更には、各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通である。即ち、第1層目のメモリユニットMU11において、メモリセルMC11Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCN11と呼ぶ場合がある。また、第2層目のメモリユニットMU12において、メモリセルMC12Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCN12と呼ぶ場合がある。更には、第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMU1nにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極24,34は、メモリユニットMU1n間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。実施の形態2においては、より具体的には、各プレート線は、第2の電極24,34から延在している。
【0093】
そして、各選択用トランジスタTR11,TR12の一方のソース/ドレイン領域13Aはビット線BL1に接続され、第1番目の選択用トランジスタTR11の他方のソース/ドレイン領域13Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17を介して、第1層目のメモリユニットMU11における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN11)に接続されている。また、第(k+1)番目(但し、k=1,2・・・,N−1であり、実施の形態2においては、k=1)の選択用トランジスタTR12の他方のソース/ドレイン領域13Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれ(実施の形態2においては、より具体的には、第1層目の層間絶縁層26に設けられた第2層目の接続孔27)を介して、第(k+1)層目のメモリユニットMU12における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN12)に接続されている。
【0094】
実施の形態2の不揮発性メモリM1にあっても、絶縁層16に形成された第1層目の接続孔17の頂面は、第1層目のメモリユニットMU11のメモリセルMC11mを構成する第1の電極21と同時に形成された第1の導電体層22、及び、第1層目のメモリユニットMU11のメモリセルMC11Mを構成する第2の電極24と同時に形成された第2の導電体層25の積層構造によって被覆されている。一方、第k層目(実施の形態2においては、第1層目)の層間絶縁層26に形成された第(k+1)層目(実施の形態2においては、第2層目)の接続孔27の頂面は、第(k+1)層目(実施の形態2においては、第2層目)のメモリユニットMU12のメモリセルMC12Mを構成する第1の電極31と同時に形成された第1の導電体層32、及び、第(k+1)層目のメモリユニットMU12のメモリセルMC12Mを構成する第2の電極34と同時に形成された第2の導電体層35の積層構造によって被覆されている。
【0095】
ビット線BLnは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PLMはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WL1,WL2(あるいはワード線WL11,WL12,WL21,WL22)は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線は、図9の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリM1を構成するメモリセルMC11mの第2の電極24は、図9の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成するメモリセルMC21mの第2の電極と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。更には、不揮発性メモリM1を構成するメモリセルMC12mの第2の電極34は、図9の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成するメモリセルMC22mの第2の電極と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。これらのプレート線PLmは、図示しない領域において接続されている。また、ワード線WL1は、不揮発性メモリM1を構成する選択用トランジスタTR11と、図9の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成する選択用トランジスタTR21とで共通である。更には、ワード線WL2は、不揮発性メモリM1を構成する選択用トランジスタTR12と、図9の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成する選択用トランジスタTR22とで共通である。
【0096】
尚、N=4とした場合には、第1番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている。また、第2番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、第1層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、及び、第1層の層間絶縁層に設けられた第2層目の接続孔を介して、第2層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている。更には、第3番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、第1層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、第1層の層間絶縁層に設けられた第2層目の接続孔、第2層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、及び、第2層の層間絶縁層に設けられた第3層目の接続孔を介して、第3層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている。また、第4番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、第1層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、第1層の層間絶縁層に設けられた第2層目の接続孔、第2層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、第2層の層間絶縁層に設けられた第3層目の接続孔、第3層目の接続孔の頂面を被覆する第1の導電体層と第2の導電体層の積層構造、及び、第3層の層間絶縁層に設けられた第4層目の接続孔を介して、第4層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている。尚、後述する実施の形態3における不揮発性メモリにおいて、N=4と下場合も、同様の構造を有する。
【0097】
図10の(A)及び図11に回路図を示す不揮発性メモリM1,M2において、不揮発性メモリM1,M2を構成する選択用トランジスタTR1n,TR2nは同じワード線WLnに接続されている。そして、対となったメモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2、及び、m=1,2・・・M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC11m,MC21m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WL1を選択し、プレート線PLj(m≠j)には(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC11m,MC21mから選択用トランジスタTR11,TR21を介して対となったビット線BL1,BL2に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL1,BL2の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、不揮発性メモリM1,M2を構成する選択用トランジスタTR11,TR12,TR21,TR22を、それぞれ、異なるワード線WL11,WL12,WL21,WL22に接続し、メモリセルMC1nm,MC2nmを独立して制御し、対となったビット線BL1,BL2の一方に参照電圧を印加することによって、メモリセルMC1nm,MC2nmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の回路図は、図10の(B)及び図12を参照のこと。尚、選択用トランジスタTR11,TR21を同時に駆動し、選択用トランジスタTR12,TR22を同時に駆動すれば、図10の(A)及び図11に示した回路と等価となる。このように、各メモリセルMC1nm,MC2nm(m=1,2,3,4)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図10の(B)及び図12参照)、あるいは又、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図10の(A)及び図11参照)。実際の不揮発性メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶するメモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。尚、Mの値は4に限定されない。Mの値は、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。また、Nの値は、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0098】
実施の形態2の不揮発性メモリ及び半導体装置は、実質的に、実施の形態1の不揮発性メモリ及び半導体装置の製造方法と同様の方法で作製することができるので、詳細な説明は省略する。
【0099】
(実施の形態3)
実施の形態3は、本発明の第1の態様及び第4の態様に係る不揮発性メモリ、並びに、本発明の半導体装置に関する。ビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で実施の形態3の半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図を図13に示す。尚、ワード線の延びる方向と平行な仮想垂直面で実施の形態3の半導体装置を切断したときの模式的な一部断面図は、実質的に図2に示したと同様の構成を有する。更には、本発明の第3の態様に係る不揮発性メモリの概念的な回路図を図14の(A)及び(B)に示し、具体的な回路図を図15に示す。尚、図14の(A)及び(B)には、2つの不揮発性メモリM1,M2を図示するが、これらの不揮発性メモリM1,M2の構造は同一であり、以下においては、不揮発性メモリM1に関しての説明を行う。また、周辺回路は、実質的に実施の形態1の半導体装置における周辺回路と同じ構成とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【0100】
実施の形態3の不揮発性メモリM1は、
(A)N本(但し、N≧2であり、実施の形態3においては、N=2)ビット線BL11,BL12と、
(B)N個の選択用トランジスタTR11,TR12と、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2であり、実施の形態3においては、M=4)のメモリセルMC11M,MC12Mから構成された、N個のメモリユニットMU11,MU12と、
(D)M本のプレート線PLM
から成る。
【0101】
尚、図14、図15中、ビット線BL11と、選択用トランジスタTR11と、メモリセルMC11Mから構成されたメモリユニットMU11を、サブユニットSU11で表し、ビット線BL12と、選択用トランジスタTR12と、メモリセルMC12Mから構成されたメモリユニットMU12を、サブユニットSU12で表す。
【0102】
そして、第1層目のメモリユニットMU11は、絶縁層16を介して選択用トランジスタTR11,TR12の上方に形成されており、N個のメモリユニットMU11,MU12は、(N−1)層(実施の形態3においては1層)の層間絶縁層26を介して積層されている。
【0103】
また、第1層目のメモリユニットMU11を構成する各メモリセルMC11Mは、第1の電極21と強誘電体層23と第2の電極24とから成り、第2層目のメモリユニットMU12を構成する各メモリセルMC12Mは、第1の電極31と強誘電体層33と第2の電極34とから成る。更には、各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通である。即ち、第1層目のメモリユニットMU11において、メモリセルMC11Mの第1の電極21は共通である。この共通の第1の電極21を第1の共通ノードCN11と呼ぶ場合がある。また、第2層目のメモリユニットMU12において、メモリセルMC12Mの第1の電極31は共通である。この共通の第1の電極31を第2の共通ノードCN12と呼ぶ場合がある。更には、第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットMU1nにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極24,34は、メモリユニットMU1n間で共通とされた第m番目のプレート線PLmに接続されている。実施の形態3においては、より具体的には、各プレート線は、第2の電極24,34から延在している。
【0104】
そして、第n番目の選択用トランジスタTR1nの一方のソース/ドレイン領域13Aは第n番目のビット線BL1nに接続され、第1番目の選択用トランジスタTR11の他方のソース/ドレイン領域13Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17を介して、第1層目のメモリユニットMU11における共通の第1の電極21(第1の共通ノードCN11)に接続されている。また、第(k+1)番目(但し、k=1,2・・・,N−1であり、実施の形態3においては、k=1)の選択用トランジスタTR12の他方のソース/ドレイン領域13Bは、絶縁層16に設けられた第1層目の接続孔17、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれ(実施の形態3においては、より具体的には、第1層目の層間絶縁層26に設けられた第2層目の接続孔27)を介して、第(k+1)層目のメモリユニットMU12における共通の第1の電極31(第2の共通ノードCN12)に接続されている。
【0105】
実施の形態3の不揮発性メモリM1にあっても、絶縁層16に形成された第1層目の接続孔17の頂面は、第1層目のメモリユニットMU11のメモリセルMC11mを構成する第1の電極21と同時に形成された第1の導電体層22、及び、第1層目のメモリユニットMU11のメモリセルMC11Mを構成する第2の電極24と同時に形成された第2の導電体層25の積層構造によって被覆されている。一方、第k層目(実施の形態3においては、第1層目)の層間絶縁層26に形成された第(k+1)層目(実施の形態3においては、第2層目)の接続孔27の頂面は、第(k+1)層目(実施の形態2においては、第2層目)のメモリユニットMU12のメモリセルMC12Mを構成する第1の電極31と同時に形成された第1の導電体層32、及び、第(k+1)層目のメモリユニットMU12のメモリセルMC12Mを構成する第2の電極34と同時に形成された第2の導電体層35の積層構造によって被覆されている。
【0106】
ビット線BL1nは、センスアンプSAに接続されている。また、プレート線PLMはプレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ワード線WL1,WL2(あるいはワード線WL11,WL12,WL21,WL22)は、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。ワード線は、図13の紙面垂直方向に延びている。また、不揮発性メモリM1を構成するメモリセルMC11mの第2の電極24は、図13の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成するメモリセルMC21mの第2の電極と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。更には、不揮発性メモリM1を構成するメモリセルMC12mの第2の電極34は、図13の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成するメモリセルMC22mの第2の電極と共通であり、プレート線PLmを兼ねている。これらのプレート線PLmは、図示しない領域において接続されている。また、ワード線WL1は、不揮発性メモリM1を構成する選択用トランジスタTR11と、図13の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成する選択用トランジスタTR21とで共通である。更には、ワード線WL2は、不揮発性メモリM1を構成する選択用トランジスタTR12と、図13の紙面垂直方向に隣接する不揮発性メモリM2を構成する選択用トランジスタTR22とで共通である。
【0107】
図14の(A)及び図15に回路図を示す不揮発性メモリM1,M2においては、不揮発性メモリM1,M2を構成する選択用トランジスタTR11,TR21は同じワード線WL1に接続され、選択用トランジスタTR12,TR22は同じワード線WL2に接続されている。そして、対となったメモリセルMC1nm,MC2nm(n=1,2、及び、m=1,2・・・M)に相補的なデータが記憶される。例えば、メモリセルMC11m,MC21m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WL1を選択し、プレート線PLj(m≠j)には(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。ここで、Vccは、例えば、電源電圧である。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC11m,MC21mから選択用トランジスタTR11,TR21を介して対となったビット線BL11,BL21に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL11,BL21の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、不揮発性メモリM1,M2を構成する選択用トランジスタTR11,TR12,TR21,TR22を、それぞれ、異なるワード線WL11,WL12,WL21,WL22に接続し、メモリセルMC1nm,MC2nmを独立して制御し、対となったビット線BL11,BL21、あるいは、対となったビット線BL12,BL22の一方に参照電圧を印加することによって、メモリセルMC1nm,MC2nmのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の回路図は、図14の(B)及び図15を参照のこと。尚、選択用トランジスタTR11,TR21を同時に駆動し、選択用トランジスタTR12,TR22を同時に駆動すれば、図14の(A)に示した回路と等価となる。このように、各メモリセルMC1nm,MC2nm(m=1,2,3,4)のそれぞれに1ビットがデータとして記憶され(図14の(B)参照)、あるいは又、対となったメモリセルMC1nm,MC2nmに相補的なデータが1ビットとして記憶される(図14の(A)参照)。実際の不揮発性メモリにおいては、この16ビットあるいは8ビットを記憶するメモリユニットの集合がアクセス単位ユニットとしてアレイ状に配設されている。尚、Mの値は4に限定されない。Mの値は、M≧2を満足すればよく、実際的なMの値として、例えば、2のべき数(2,4,8,16・・・)を挙げることができる。また、Nの値は、N≧2を満足すればよく、実際的なNの値として、例えば、2のべき数(2,4,8・・・)を挙げることができる。
【0108】
あるいは又、図14の(A)及び図15に回路図を示す不揮発性メモリM1において、例えば、対となったメモリセルMC11m,MC12m(m=1,2・・・,M)に相補的なデータを記憶してもよい。例えば、メモリセルMC11m,MC12m(ここで、mは1,2,3,4のいずれか)に記憶されたデータを読み出す場合、ワード線WL1,WL2を選択し、プレート線PLj(m≠j)には、例えば(1/2)Vccの電圧を印加した状態で、プレート線PLmを駆動する。これによって、相補的なデータが、対となったメモリセルMC11m,MC12mから選択用トランジスタTR11,TR12を介して対となったビット線BL11,BL12に電圧(ビット線電位)として現れる。そして、かかる対となったビット線BL11,BL12の電圧(ビット線電位)を、センスアンプSAで検出する。尚、メモリセルMC11m,MC12mを独立して制御し、対となったビット線BL11,BL12の一方に参照電圧を印加することによって、メモリセルMC11m,MC12mのそれぞれからデータを読み出すこともできる。このような構成を採用する場合の回路図は、図14の(B)及び図15を参照のこと。
【0109】
実施の形態3の不揮発性メモリ及び半導体装置は、実質的に、実施の形態1の不揮発性メモリ及び半導体装置の製造方法と同様の方法で作製することができるので、詳細な説明は省略する。
【0110】
以上、本発明を、発明の実施の形態に基づき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。発明の実施の形態にて説明した不揮発性メモリや半導体装置の構造、使用した材料、各種の形成条件、回路構成、駆動方法等は例示であり、適宜変更することができる。
【0111】
一般に、単位ユニットの駆動用の信号線の合計本数をA本、その内のワード線本数をB本、プレート線の本数をC本とすると、A=B+Cである。ここで、合計本数Aを一定とした場合、単位ユニットの総アドレス数(=B×C)が最大となるには、B=Cを満足すればよい。従って、最も効率良く周辺回路を配置するためには、単位ユニットにおけるワード線本数Bとプレート線の本数Cとを等しくすればよい。また、ロー・アドレスのアクセス単位ユニットにおけるワード線本数は、例えばメモリセルの積層段数に一致し、プレート線本数はメモリユニットを構成するメモリセルの数に一致するが、これらのワード線本数、プレート線本数が多いほど、実質的な不揮発性メモリの集積度は向上する。そして、ワード線本数とプレート線本数の積がアクセス可能なアドレス回数である。ここで、一括して、且つ、連続したアクセスを前提とすると、その積から「1」を減じた値がディスターブ回数である。従って、ワード線本数とプレート線本数の積の値は、メモリセルのディスターブ耐性、プロセス要因等から決定される。ここで、ディスターブとは、非選択のメモリセルを構成する強誘電体層に対して、分極が反転する方向に、即ち、保存されていたデータが劣化若しくは破壊される方向に、電界が加わる現象を指す。
【0112】
実施の形態2において説明した不揮発性メモリを、図16に示す構造のように変形することもできる。尚、回路図を図17に示す。
【0113】
この不揮発性メモリは、センスアンプSAに接続されているビット線BL1と、MOS型FETから構成されたN個(但し、N≧2であり、この例においてはN=4)の選択用トランジスタTR11,TR12,TR13,TR14と、N個のメモリユニットMU11,MU12,MU13,MU14と、プレート線から構成されている。第1層目のメモリユニットMU11は、M個(但し、M≧2であり、この例においてはM=8)のメモリセルMC11m(m=1,2,・・・8)から構成されている。また、第2層目のメモリユニットMU12も、M個(M=8)のメモリセルMC12m(m=1,2・・・8)から構成されている。更には、第3層目のメモリユニットMU13も、M個(M=8)のメモリセルMC13m(m=1,2・・・8)から構成され、第4層目のメモリユニットMU14も、M個(M=8)のメモリセルMC14m(m=1,2・・・8)から構成されている。プレート線の数は、M本(この例においては8本)であり、PLm(m=1,2・・・8)で表している。選択用トランジスタTR1nのゲート電極に接続されたワード線WL1nは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。一方、各プレート線PLmは、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。
【0114】
また、第1層目のメモリユニットMU11を構成する各メモリセルMC11mは、第1の電極21Aと強誘電体層23Aと第2の電極24とから成り、第2層目のメモリユニットMU12を構成する各メモリセルMC12mは、第1の電極21Bと強誘電体層23Bと第2の電極24とから成り、第3のメモリユニットMU13を構成する各メモリセルMC13mは、第1の電極31Aと強誘電体層33Aと第2の電極34とから成り、第4のメモリユニットMU14を構成する各メモリセルMC14mは、第1の電極31Bと強誘電体層33Bと第2の電極34とから成る。そして、各メモリユニットMU11,MU12,MU13,MU14において、メモリセルの第1の電極21A,21B,31A,31Bは共通である。この共通の第1の電極21A,21B,31A,31Bを、便宜上、共通ノードCN11,CN12,CN13,CN14と呼ぶ。
【0115】
ここで、第1層目のメモリユニットMU11における共通の第1の電極21A(第1の共通ノードCN11)は、第1番目の選択用トランジスタTR11を介してビット線BL1に接続されている。また、第2層目のメモリユニットMU12における共通の第1の電極21B(第2の共通ノードCN12)は、第2番目の選択用トランジスタTR12を介してビット線BL1に接続されている。更には、第3層目のメモリユニットMU13における共通の第1の電極31A(第3の共通ノードCN13)は、第3番目の選択用トランジスタTR13を介してビット線BL1に接続されている。また、第4層目のメモリユニットMU14における共通の第1の電極31B(第4の共通ノードCN14)は、第4番目の選択用トランジスタTR14を介してビット線BL1に接続されている。
【0116】
また、第1層目のメモリユニットMU11を構成するメモリセルMC11mと、第2層目のメモリユニットMU12を構成するメモリセルMC12mは、第2の電極24を共有しており、この共有された第m番目の第2の電極24はプレート線PLmに接続されている。更には、第3層目のメモリユニットMU13を構成するメモリセルMC13mと、第4層目のメモリユニットMU14を構成するメモリセルMC14mは、第2の電極34を共有しており、この共有された第m番目の第2の電極34はプレート線PLmに接続されている。具体的には、この共有された第m番目の第2の電極24の延在部からプレート線PLmが構成され、この共有された第m番目の第2の電極34の延在部からプレート線PLmが構成されており、各プレート線PLmは図示しない領域で接続されている。
【0117】
この不揮発性メモリにおいては、メモリユニットMU11,MU12とメモリユニットMU13,MU14は、層間絶縁層26を介して積層されている。メモリユニットMU14は絶縁膜36Aで被覆されている。また、メモリユニットMU11は、半導体基板10の上方に絶縁層16を介して形成されている。半導体基板10には素子分離領域11が形成されている。また、選択用トランジスタTR11,TR12,TR13,TR14は、ゲート電極12、ゲート絶縁膜、ソース/ドレイン領域13から構成されている。そして、第1の選択用トランジスタTR11、第2の選択用トランジスタTR12、第3の選択用トランジスタTR13、第4の選択用トランジスタTR14の一方のソース/ドレイン領域13はコンタクトホールを介してビット線BL1に接続されている。また、第1の選択用トランジスタTR11の他方のソース/ドレイン領域13は、絶縁層16に形成された開口部中に設けられた接続孔17を介して第1の共通ノードCN11に接続されている。更には、第2の選択用トランジスタTR12の他方のソース/ドレイン領域13は、接続孔17、第1の導電体層22A、第2の導電体層25、第1の導電体層22Bを介して第2の共通ノードCN12に接続されている。また、第3の選択用トランジスタTR13の他方のソース/ドレイン領域13は、接続孔17、絶縁層16上に形成された第1の導電体層22A、第2の導電体層25、第1の導電体層22B、層間絶縁層26に形成された開口部中に設けられた接続孔27を介して第3の共通ノードCN13に接続されている。更には、第4の選択用トランジスタTR14の他方のソース/ドレイン領域13は、接続孔17、絶縁層16上に形成された第1の導電体層22A、第2の導電体層25、第1の導電体層22B、接続孔27、層間絶縁層26上に形成された第1の導電体層32A、第2の導電体層35、第1の導電体層32Bを介して第4の共通ノードCN14に接続されている。
【0118】
また、本発明の第2の態様〜第4の態様に係る不揮発性メモリを、所謂ゲインセル型とすることもできる。このような不揮発性メモリの回路図を図18に示し、不揮発性メモリを構成する各種のトランジスタの模式的なレイアウトを図19に示し、不揮発性メモリの模式的な一部断面図を図20及び図21に示す。尚、図19において、各種のトランジスタの領域を点線で囲み、活性領域及び配線を実線で示し、ゲート電極あるいはワード線を一点鎖線で示した。また、図20に示す不揮発性メモリの模式的な一部断面図は、図19の線A−Aに沿った模式的な一部断面図であり、図21に示す不揮発性メモリの模式的な一部断面図は、図19の線B−Bに沿った模式的な一部断面図である。
【0119】
この不揮発性メモリは、例えば、ビット線BLと、書込用トランジスタ(本発明の第2の態様〜第4の態様に係る不揮発性メモリにおける選択用トランジスタである)TRWと、M個(但し、M≧2であり、例えば、M=8)のメモリセルMCMから構成され、層間絶縁層を介して積層されたN個のメモリユニットMUと、M本のプレート線PLMから成るメモリユニットMUから構成されている。尚、図面においては、第1層目のメモリユニットのみを図示した。そして、各メモリセルMCMは、第1の電極21と強誘電体層23と第2の電極24とから成り、メモリユニットMUを構成するメモリセルMCMの第1の電極21は、メモリユニットMUにおいて共通であり、この共通の第1の電極(共通ノードCN)は、書込用トランジスタTRWを介してビット線BLに接続され、各メモリセルMCmを構成する第2の電極24はプレート線PLmに接続されている。メモリセルMCMは層間絶縁層26によって被覆されている。尚、不揮発性メモリのメモリユニットMUを構成するメモリセルの数(M)は8個に限定されず、一般には、M≧2を満足すればよく、2のべき数(M=2,4,8,16・・・)とすることが好ましい。
【0120】
更には、共通の第1の電極の電位変化を検出し、該検出結果をビット線に電流又は電圧として伝達する信号検出回路を備えている。言い換えれば、検出用トランジスタTRS、及び、読出用トランジスタTRRを備えている。信号検出回路は、検出用トランジスタTRS及び読出用トランジスタTRRから構成されている。そして、検出用トランジスタTRSの一端は所定の電位Vccを有する配線(例えば、不純物層から構成された電源線)に接続され、他端は読出用トランジスタTRRを介してビット線BLに接続され、各メモリセルMCmに記憶されたデータの読み出し時、読出用トランジスタTRRが導通状態とされ、各メモリセルMCmに記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN)に生じた電位により、検出用トランジスタTRSの動作が制御される。
【0121】
具体的には、各種のトランジスタはMOS型FETから構成されており、書込用トランジスタ(選択用トランジスタ)TRWの一方のソース/ドレイン領域は絶縁層16に形成されたコンタクトホール14を介してビット線BLに接続され、他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層16に形成された開口部中に設けられた接続孔17を介して共通の第1の電極(共通ノードCN)に接続されている。また、検出用トランジスタTRSの一方のソース/ドレイン領域は、所定の電位Vccを有する配線に接続され、他方のソース/ドレイン領域は、読出用トランジスタTRRの一方のソース/ドレイン領域に接続されている。より具体的には、検出用トランジスタTRSの他方のソース/ドレイン領域と読出用トランジスタTRRの一方のソース/ドレイン領域とは、1つのソース/ドレイン領域を占めている。更には、読出用トランジスタTRRの他方のソース/ドレイン領域はコンタクトホール14を介してビット線BLに接続され、更に、共通の第1の電極(共通ノードCN、あるいは、書込用トランジスタTRWの他方のソース/ドレイン領域)は、開口部中に設けられた接続孔17A、ワード線WLSを介して検出用トランジスタTRSのゲート電極に接続されている。また、書込用トランジスタTRWのゲート電極に接続されたワード線WLW及び読出用トランジスタTRRのゲート電極に接続されたワード線WLRは、ワード線デコーダ/ドライバWDに接続されている。一方、各プレート線PLmは、プレート線デコーダ/ドライバPDに接続されている。更には、ビット線BLはセンスアンプSAに接続されている。
【0122】
この不揮発性メモリのメモリセルMC1からデータを読み出す場合、選択プレート線PL1にVccを印加する。このとき、選択メモリセルMC1にデータ「1」が記憶されていれば、強誘電体層に分極反転が生じ、蓄積電荷量が増加し、共通ノードCNの電位が上昇する。一方、選択メモリセルMC1にデータ「0」が記憶されていれば、強誘電体層に分極反転が生ぜず、共通ノードCNの電位は殆ど上昇しない。即ち、共通ノードCNは、非選択メモリセルの強誘電体層を介して複数の非選択プレート線PLkにカップリングされているので、共通ノードCNの電位は0ボルトに比較的近いレベルに保たれる。このようにして、選択メモリセルMC1に記憶されたデータに依存して共通ノードCNの電位に変化が生じる。従って、選択メモリセルの強誘電体層には、分極反転に十分な電界を与えることができる。そして、ビット線BLを浮遊状態とし、読出用トランジスタTRRをオン状態とする。一方、選択メモリセルMC1に記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN)に生じた電位により、検出用トランジスタTRSの動作が制御される。具体的には、選択メモリセルMC1に記憶されたデータに基づき共通の第1の電極(共通ノードCN)に高い電位が生じれば、検出用トランジスタTRSは導通状態となり、検出用トランジスタTRSの一方のソース/ドレイン領域は所定の電位Vccを有する配線に接続されているので、かかる配線から、検出用トランジスタTRS及び読出用トランジスタTRRを介してビット線BLに電流が流れ、ビット線BLの電位が上昇する。即ち、信号検出回路によって共通の第1の電極(共通ノードCN)の電位変化が検出され、この検出結果がビット線BLに電圧(電位)として伝達される。ここで、検出用トランジスタTRSの閾値をVth、検出用トランジスタTRSのゲート電極の電位(即ち、共通ノードCNの電位)をVgとすれば、ビット線BLの電位は概ね(Vg−Vth)となる。尚、検出用トランジスタTRSをディプレッション型のNMOSFETとすれば、閾値Vthは負の値をとる。これにより、ビット線BLの負荷の大小に拘わらず、安定したセンス信号量を確保できる。尚、検出用トランジスタTRSをPMOSFETから構成することもできる。
【0123】
尚、検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位はVccに限定されず、例えば、接地されていてもよい。即ち、検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位を0ボルトとしてもよい。但し、この場合には、選択メモリセルにおけるデータの読み出し時に電位(Vcc)がビット線に現れた場合、再書き込み時には、ビット線の電位を0ボルトとし、選択メモリセルにおけるデータの読み出し時に0ボルトがビット線に現れた場合、再書き込み時には、ビット線の電位をVccとする必要がある。そのためには、図22に例示するような、トランジスタTRIV-1,TRIV-2,TRIV-3,TRIV-4から構成された一種のスイッチ回路(反転回路)をビット線間に配設し、データの読み出し時には、トランジスタTRIV-2,TRIV-4をオン状態とし,データの再書き込み時には、トランジスタTRIV-1,TRIV-3をオン状態とすればよい。
【0124】
また、例えば、図23に示すように、実施の形態2の不揮発性メモリの変形例として、第1の電極21’,31’を上部電極とし、第2の電極24’,34’を下部電極とすることもできる。このような構造は、他の発明の実施の形態における不揮発性メモリにも適用することができる。尚、図23中、参照番号22’,32’は、第1の導電体層を示し、参照番号25’,35’は第2の導電体層を示す。
【0125】
【発明の効果】
本発明の強誘電体型不揮発性半導体メモリあるいは半導体装置において、接続孔の頂面は、第1の電極と同時に形成された第1の導電体層、及び、第2の電極と同時に形成された第2の導電体層の積層構造によって被覆されているので、第2の電極の形成時に接続孔の頂面に損傷が生じることを確実に防止することができる。更には、層間絶縁層のそれぞれに接続孔を形成するので、接続孔のアスペクト比が左程大きくなることがなく、確実に接続孔を形成することができる。また、第1の電極等を所謂ダマシン構造とする場合、第1の導電体層が形成されているので、CMP法における加工精度の向上を図ることができる。本発明の半導体装置にあっては、周辺回路を構成する配線は、少なくとも、第2の電極と同時に形成された第2の導電体層から構成されているので、周辺回路の配線層数を減少させることができる。また、接続孔の頂面に第1の導電体層及び2の導電体層の積層構造によって一種の接続用のパッド部を形成するので、周辺回路における接続領域の面積の縮小化を図ることができる。しかも、本発明の半導体装置においては、配線形成のプロセスを、従来の技術と比較して簡略化することができるし、チップ面積の縮小を図ることもでき、結果として、半導体装置の製造コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリを含む半導体装置をビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で切断したときの模式的な一部断面図である。
【図2】発明の実施の形態1の強誘電体型不揮発性半導体メモリを含む半導体装置をワード線の延びる方向と平行な仮想垂直面で切断したときの模式的な一部断面図である。
【図3】本発明の第2の態様に係る不揮発性メモリの概念的な回路図である。
【図4】図3の(A)に示す概念的な回路図のより具体的な回路図である。
【図5】図3の(B)に示す概念的な回路図のより具体的な回路図である。
【図6】発明の実施の形態1の半導体装置の製造方法を説明するための半導体基板等の模式的な一部断面図である。
【図7】図6に引き続き、発明の実施の形態1の半導体装置の製造方法を説明するための半導体基板等の模式的な一部断面図である。
【図8】図7に引き続き、発明の実施の形態1の半導体装置の製造方法を説明するための半導体基板等の模式的な一部断面図である。
【図9】発明の実施の形態2の強誘電体型不揮発性半導体メモリを含む半導体装置をビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で切断したときの模式的な一部断面図である。
【図10】本発明の第3の態様に係る不揮発性メモリの概念的な回路図である。
【図11】図10の(A)に示す概念的な回路図のより具体的な回路図である。
【図12】図10の(B)に示す概念的な回路図のより具体的な回路図である。
【図13】発明の実施の形態3の強誘電体型不揮発性半導体メモリを含む半導体装置をビット線の延びる方向と平行な仮想垂直面で切断したときの模式的な一部断面図である。
【図14】本発明の第4の態様に係る不揮発性メモリの概念的な回路図である。
【図15】図14に示す概念的な回路図のより具体的な回路図である。
【図16】発明の実施の形態2にて説明した強誘電体型不揮発性半導体メモリの変形例を示す模式的な一部断面図である。
【図17】図16に示す強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図18】ゲインセル型の強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図19】図18に示したの強誘電体型不揮発性半導体メモリにおけるレイアウト図である。
【図20】図18に示した強誘電体型不揮発性半導体メモリの模式的な一部断面図である。
【図21】図18に示した強誘電体型不揮発性半導体メモリの、図20とは異なる断面で見たときの模式的な一部断面図である。
【図22】検出用トランジスタの一端が接続された配線の所定の電位を0ボルトとした場合の、ビット線間に配設された一種のスイッチ回路を示す回路図である。
【図23】発明の実施の形態2の強誘電体型不揮発性半導体メモリの別の変形例の模式的な一部断面図である。
【図24】強誘電体のP−Eヒステリシスループ図である。
【図25】米国特許第4873664号に開示された強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図26】特開平9−121032号公報に開示された強誘電体型不揮発性半導体メモリの回路図である。
【図27】特開平9−121032号公報に開示された不揮発性メモリにおいて、複数のメモリセルから成るメモリユニットを積層した場合を想定した半導体装置の模式的な一部断面図である。
【図28】図27とは別の角度から眺めた、特開平9−121032号公報に開示された不揮発性メモリにおいて、複数のメモリセルから成るメモリユニットを積層した場合を想定した半導体装置の模式的な一部断面図である。
【符号の説明】
10・・・シリコン半導体基板、11・・・素子分離領域、12,112,212・・・ゲート電極、13,13A,13B,113,213・・・ソース/ドレイン領域、14・・・コンタクトホール、16・・・絶縁層、17,27,117,127,217,227・・・接続孔、21,21A,21B,21’,31,31A,31B,31’・・・第1の電極、22,22’,22A,22B,32,32’,32A,32B,122,132・・・第1の導電体層、23,23A,23B,23’,33,33A,33B,33’・・・強誘電体層、24,34・・・第2の電極、25,25’,35,35’125,135・・・第2の導電体層、26・・・層間絶縁層、36A,46A・・・絶縁膜、TR・・・選択用トランジスタ、TRW・・・書込用トランジスタ、TRR・・・読出用トランジスタ、TRS・・・検出用トランジスタ、TRSW・・・スイッチング用のトランジスタ、WL・・・ワード線、BL・・・ビット線、PL・・・プレート線、WD・・・ワード線デコーダ/ドライバ、SA・・・センスアンプ、PD・・・プレート線デコーダ/ドライバ、CN・・・共通ノード[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory (so-called FERAM), and a semiconductor device including a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory and its peripheral circuit.
[0002]
[Prior art]
In recent years, research on large-capacity ferroelectric nonvolatile semiconductor memories has been actively conducted. A ferroelectric type nonvolatile semiconductor memory (hereinafter sometimes abbreviated as “nonvolatile memory”) is capable of high-speed access, is nonvolatile, is small in size and has low power consumption, and is also susceptible to impact. For example, various electronic devices having file storage and resume functions, such as portable computers, mobile phones, game machines as main storage devices, or recording media for recording audio and video Use is expected.
[0003]
This non-volatile memory is a non-volatile memory capable of high-speed rewriting, which uses a high-speed polarization reversal of the ferroelectric thin film and its residual polarization to detect changes in the amount of charge stored in the capacitor portion having the ferroelectric layer. Basically, it is composed of a memory cell (capacitor portion) and a selection transistor (switching transistor). The memory cell (capacitor portion) is composed of, for example, a lower electrode, an upper electrode, and a ferroelectric layer sandwiched between these electrodes. Data is written to and read from the nonvolatile memory by applying a ferroelectric PE hysteresis loop shown in FIG. That is, when an external electric field is applied to the ferroelectric layer and then the external electric field is removed, the ferroelectric layer exhibits spontaneous polarization. Then, the remanent polarization of the ferroelectric layer is + P when an external electric field in the positive direction is applied.rWhen an external electric field in the negative direction is applied, -PrIt becomes. Here, the remanent polarization is + PrIn the case of the state (see “D” in FIG. 24), “0” is set and the residual polarization is −P.rIn this state (see “A” in FIG. 24), “1” is set.
[0004]
In order to determine the state of “1” or “0”, for example, an external electric field in the positive direction is applied to the ferroelectric layer. As a result, the polarization of the ferroelectric layer becomes the state “C” in FIG. At this time, if the data is “0”, the polarization state of the ferroelectric layer changes from “D” to “C”. On the other hand, if the data is “1”, the polarization state of the ferroelectric layer changes from “A” to “C” via “B”. When the data is “0”, the polarization inversion of the ferroelectric layer does not occur. On the other hand, when the data is “1”, polarization inversion occurs in the ferroelectric layer. As a result, a difference occurs in the accumulated charge amount of the memory cell (capacitor portion). By turning on the selection transistor of the selected nonvolatile memory, this accumulated charge is detected as a signal current. When the external electric field is set to 0 after the data is read, the polarization state of the ferroelectric layer becomes the state “D” in FIG. 24 regardless of whether the data is “0” or “1”. That is, at the time of reading, the data “1” is once destroyed. Therefore, when the data is “1”, an external electric field in the negative direction is applied to make the state “A” along the paths “D” and “E”, and the data “1” is written again.
[0005]
The structure and operation of nonvolatile memories which are currently mainstream are disclosed in US Pat. Shefiled et al. The nonvolatile memory is composed of two nonvolatile memory cells as shown in a circuit diagram of FIG. In FIG. 25, one nonvolatile memory is surrounded by a dotted line. Each nonvolatile memory includes, for example, a selection transistor TR11, TR12, Memory cell (capacitor part) FC11, FC12It is composed of
[0006]
Note that a two-digit or three-digit subscript, for example, the subscript “11” is originally a subscript to be displayed as the subscript “1,1”. For example, “111” is originally a subscript “1,1,1”. Although it is a subscript to be displayed, it is displayed with a 2-digit or 3-digit subscript for simplification of display. The subscript “M” is used, for example, when collectively displaying a plurality of memory cells or plate lines, and the subscript “m” is used, for example, when displaying a plurality of memory cells or plate lines individually. The subscript “N” is used, for example, when the selection transistors and memory units are displayed collectively, and the subscript “n” is used, for example, when the selection transistors and memory units are individually displayed.
[0007]
Then, 1 bit is stored by writing complementary data in each memory cell. In FIG. 25, the symbol “WL” indicates a word line, the symbol “BL” indicates a bit line, and the symbol “PL” indicates a plate line. Focusing on one nonvolatile memory, the word line WL1Are connected to a word line decoder / driver WD. In addition, the bit line BL1, BL2Are connected to the sense amplifier SA. Furthermore, the plate line PL1Are connected to a plate line decoder / driver PD.
[0008]
When reading stored data in a nonvolatile memory having such a structure, the word line WL1And, further, plate line PL1, The complementary data becomes a pair of memory cells (capacitor part) FC11, FC12To transistor for selection TR11, TR12Bit line BL paired via1, BL2Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL1, BL2Is detected by the sense amplifier SA.
[0009]
One nonvolatile memory is a word line WL1And paired bit lines BL1, BL2Occupies the area surrounded by. Therefore, if the word lines and the bit lines are arranged at the shortest pitch, the minimum area of one nonvolatile memory is 8F when the minimum processing dimension is F.2It is. Therefore, the minimum area of the nonvolatile memory having such a structure is 8F.2It is.
[0010]
In order to increase the capacity of the nonvolatile memory having such a structure, the realization of the nonvolatile memory depends only on the miniaturization of the processing dimensions. Further, in order to form one nonvolatile memory, two selection transistors and two memory cells (capacitor portions) are required. Furthermore, it is necessary to arrange plate lines at the same pitch as the word lines. Therefore, it is almost impossible to arrange the nonvolatile memories at the minimum pitch. In reality, the area occupied by one nonvolatile memory is 8F.2Will increase significantly.
[0011]
Moreover, it is necessary to dispose the word line decoder / driver WD and the plate line decoder / driver PD at the same pitch as that of the nonvolatile memory. In other words, two decoders / drivers are required to select one row address. Therefore, the layout of the peripheral circuit becomes difficult, and the area occupied by the peripheral circuit becomes large.
[0012]
One means for reducing the area of the nonvolatile memory is known from Japanese Patent Laid-Open No. 9-121022. As shown in an equivalent circuit in FIG. 26, the nonvolatile memory disclosed in this patent publication is composed of one selection transistor TR.1Memory cells MC each having one end connected in parallel to one end of the memory cell1M(For example, M = 4), and the memory cell paired with the memory cell is also a single selection transistor TR.2Memory cells MC each having one end connected in parallel to one end of the memory cell2MIt is composed of Selection transistor TR1, TR2The other end of each bit line BL1, BL2It is connected to the. Paired bit lines BL1, BL2Are connected to the sense amplifier SA. In addition, the memory cell MC1m, MC2mThe other end of (m = 1, 2,... M) is the plate line PLmIs connected to the plate line PLmAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WL is connected to a word line decoder / driver WD.
[0013]
The paired memory cells MC1m, MC2mComplementary data is stored in (m = 1, 2,... M). For example, the memory cell MC1m, MC2mWhen data stored in (where m is any one of 1, 2, 3 and 4) is read, the word line WL is selected and the plate line PLj(M ≠ j) has (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the complementary data is converted into a pair of memory cells MC.1m, MC2mTo transistor for selection TR1, TR2Bit line BL paired via1, BL2Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL1, BL2Is detected by the sense amplifier SA.
[0014]
A pair of selection transistors TR in a paired nonvolatile memory1And TR2Are the word line WL and the paired bit line BL.1, BL2Occupies the area surrounded by. Accordingly, if the word lines and the bit lines are arranged at the shortest pitch, a pair of selection transistors TR in the paired nonvolatile memory is assumed.1And TR2The minimum area is 8F2It is. However, a pair of selection transistors TR1, TR2M pairs of memory cells MC1m, MC2m(M = 1, 2,... M), so that the selection transistor TR per bit is shared.1, TR2Since the number of memory cells is small and the arrangement of the word lines WL is gradual, it is easy to reduce the size of the nonvolatile memory. In addition, for the peripheral circuit, M bits can be selected by one word line decoder / driver WD and M plate line decoder / driver PD. Therefore, by adopting such a configuration, the cell area is 8F.2A layout close to that of a DRAM can be realized, and a chip size comparable to that of a DRAM can be realized.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The technique for reducing the area of the nonvolatile memory disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-121032 is a very effective technique, but there is a strong demand for further reduction of the area of the nonvolatile memory. As one of measures for addressing such a demand, a method of stacking memory units composed of a plurality of memory cells is conceivable. 27 and 28 are schematic partial cross-sectional views of a semiconductor device including a nonvolatile memory employing such a method. 27 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor device cut along a virtual vertical plane parallel to the extending direction of the bit line, and FIG. It is a typical partial sectional view when an apparatus is cut | disconnected. In FIG. 27, the memory unit MU1And memory unit MU2Are not located on the same virtual vertical plane, and the selection transistor TR1And selection transistor TR2Are not located on the same virtual vertical plane, but are shown together in FIG. 27 to simplify the drawing. The equivalent circuit is as shown in FIG.
[0016]
This non-volatile memory
(1) Two bit lines BL1, BL2When,
(2) Two selection transistors TR formed on the semiconductor substrate 101, TR2When,
(3) Two memory units MU each consisting of four memory cells1, MU2When,
(4) 4 plate wires,
It is composed of
[0017]
And the memory unit MU1Is a selection transistor TR through an insulating layer 16.1Formed above the two memory units MU1, MU2Are stacked via an interlayer insulating layer 26. Each memory cell includes first electrodes 21 and 31, ferroelectric layers 23 and 33, and second electrodes 24 and 34, and each memory unit MU.1, MU21, the first electrodes 21 and 31 of the memory cell are common. Further, in the n-th (where n = 1, 2, 3, 4) memory unit, the second electrodes 24 of the m-th (where m = 1, 2, 3, 4) memory cell, 34 is a memory unit MU1, MU2It is connected to the mth plate line, which is common among the two. In FIG. 27, the state in which the plate line is connected is omitted. Then, the selection transistor TR1One source / drain region 13A of the bit line BL1Connected to the transistor for selection TR2One source / drain region 13A of the bit line BL2It is connected to the. In FIG. 27, the bit line BL1, BL2Is extended in the left-right direction, but in order to simplify the drawing, the bit line BL1, BL2Only a part of is shown.
[0018]
The selection transistor TR1The other source / drain region 13B of the memory unit MU is connected to the memory unit MU via a connection hole 17 provided in the insulating layer 16.1Are connected to the common first electrode 21. On the other hand, the selection transistor TR2The other source / drain region 13 is connected to the memory unit MU via the insulating layer 16 and the connection hole 27A provided in the interlayer insulating layer 26.2Are connected to the common first electrode 31.
[0019]
Further, in the peripheral circuit shown in FIG. 27, the transistor TR including the gate electrode 112 and the source / drain region 113 is formed.P1, TRP2Sense amplifier SA etc. comprised from these are provided. On the other hand, in the peripheral circuit shown in FIG. 28, the transistor TR composed of the gate electrode 212 and the source / drain region 213.P3, TRP4, TRP5Are provided with a word line decoder / driver WD, a plate line decoder / driver PD, and the like.
[0020]
27 and 28, reference numerals 36A and 46A are insulating films, reference numerals 150, 250, 251A and 251B are metal wirings, and reference numeral 47A is a pad portion made of a metal wiring material. Reference numerals 37A, 37B, and 47B are connection holes (contact holes) in the nonvolatile memory, and reference numerals 337A and 337B are connection holes (contact holes) in the peripheral circuit.
[0021]
In the nonvolatile memory having such a structure, in order to electrically connect the plate line PL extending from the second electrodes 24 and 34 and the transistor constituting the plate line decoder / driver PD corresponding to the peripheral circuit. In the conventional concept, the metal wiring 251A, 251B and the connection holes (contact holes) 37A, 37B, 37B are generally used.
[0022]
However, such a method has a problem that the number of metal wiring layers increases. Further, when a connection hole (contact hole) is formed in a state in which a large number of interlayer insulating layers and insulating films are laminated, the connection hole may be difficult to form because the aspect ratio of the connection hole is increased. A method of forming a connection hole every time an interlayer insulating layer or an insulating film is formed is also conceivable. However, after forming the connection hole, a first electrode material layer constituting the first electrode is formed, and the first electrode is formed. When the material layer is patterned by etching, the top surface of the connection hole is exposed, and the top surface of the connection hole may be etched to cause damage. Furthermore, when the first electrode material layer constituting the first electrode is formed and patterned by etching, the top surface of the connection hole is formed using the first electrode material layer as a kind of pad portion. However, when the second electrode material layer constituting the second electrode is formed and patterned by etching, the pad portion made of the first electrode material layer is etched. The top surface of the connection hole is exposed, and the top surface of the connection hole may be etched to cause damage.
[0023]
Accordingly, a first object of the present invention is a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having a multi-stack structure in which a plurality of memory cells are stacked with an interlayer insulating layer interposed therebetween, and the top surface of the connection hole is damaged. It is an object of the present invention to provide a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having a difficult structure.
[0024]
Furthermore, a second object of the present invention is to provide a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory that can reliably form a connection hole (contact hole) in addition to the first object.
[0025]
A third object of the present invention is to provide a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory and a semiconductor device including the peripheral circuit, which can reduce the number of wiring layers in the peripheral circuit.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above first object, a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a first aspect of the present invention includes: a first insulating layer provided on a semiconductor substrate on which a transistor is formed; A ferroelectric cell having a structure in which a memory cell composed of an electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode has a structure in which N layers are stacked via an (N-1) interlayer insulating layer (N ≧ 2). A body-type nonvolatile semiconductor memory,
A connection hole is formed in the insulating layer on the source / drain region and / or the gate electrode of the transistor, and in the insulating layer and the interlayer insulating layer.
The top surface of the connection hole formed in the insulating layer constitutes the first conductor layer formed simultaneously with the first electrode constituting the first layer memory cell, and the first layer memory cell. The second electrode layer is covered with a laminated structure of a second conductor layer formed simultaneously with the second electrode.
[0027]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first aspect of the present invention, the connection formed in the kth layer (where k = 1, 2,..., N−1) interlayer insulating layer. The top surface of the hole includes a first conductor layer formed at the same time as the first electrode constituting the (k + 1) th layer memory cell and a second conductor constituting the (k + 1) th layer memory cell. It is preferable to have a structure covered with a laminated structure of a second conductor layer formed simultaneously with the electrode of the electrode, whereby the second object described above can be achieved.
[0028]
In order to achieve the above first and second objects, the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second aspect of the present invention includes:
(A) a bit line;
(B) a selection transistor;
(C) N (where N ≧ 2) memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M × N plate wires,
Consisting of
The memory unit of the first layer is formed above the selection transistor via the insulating layer,
N memory units are stacked via (N-1) interlayer insulating layers,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit, the first electrode of the memory cell is common,
In the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., N), the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is Connected to the [(n-1) M + m] th plate line,
One source / drain region of the selection transistor is connected to the bit line,
The other source / drain region of the selection transistor is connected to a common first electrode in the first-layer memory unit via a first-layer connection hole provided in the insulating layer.
The other source / drain region of the selection transistor further includes a first-layer connection hole provided in the insulating layer, and a first-layer interlayer insulating layer to k-th layer (provided that k = 1, 2..., N−1) to the (k + 1) th layer through each of the (k + 1) th connection hole from the second layer connection hole provided in each of the interlayer insulating layers. A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to a common first electrode in a memory unit,
The top surface of the first layer connection hole formed in the insulating layer has a first conductor layer formed simultaneously with the first electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit, and Covered with a laminated structure of a second conductor layer formed simultaneously with the second electrode constituting the memory cell of the memory layer of the first layer;
The top surface of the (k + 1) th layer connection hole formed in the kth interlayer insulating layer is formed simultaneously with the first electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer memory unit. It is covered with a laminated structure of a first conductor layer and a second conductor layer formed at the same time as a second electrode constituting a memory cell of the memory unit of the (k + 1) th layer memory unit. And
[0029]
In order to achieve the above first and second objects, the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect of the present invention comprises:
(A) a bit line;
(B) N (where N ≧ 2) selection transistors;
(C) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate wires,
Consisting of
The memory unit of the first layer is formed above the selection transistor via the insulating layer,
N memory units are stacked via (N-1) interlayer insulating layers,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit, the first electrode of the memory cell is common,
In the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., N), the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is It is connected to the mth plate line that is shared between memory units,
One source / drain region of each selection transistor is connected to the bit line,
The other source / drain region of the first selection transistor is connected to a common first electrode in the memory unit of the first layer via a connection hole of the first layer provided in the insulating layer. ,
The other source / drain region of the (k + 1) -th (k = 1, 2,..., N−1) selection transistor has a first layer connection hole provided in the insulating layer, and The (k + 1) th through the (k + 1) th connection hole from the second layer connection hole provided in each of the interlayer insulation layers from the first interlayer insulation layer to the kth layer. A ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory connected to a common first electrode in the memory unit of the layer;
The top surface of the first layer connection hole formed in the insulating layer has a first conductor layer formed simultaneously with the first electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit, and Covered with a laminated structure of a second conductor layer formed simultaneously with the second electrode constituting the memory cell of the memory layer of the first layer;
The top surface of the (k + 1) th layer connection hole formed in the kth interlayer insulating layer is formed simultaneously with the first electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer memory unit. It is covered with a laminated structure of a first conductor layer and a second conductor layer formed at the same time as a second electrode constituting a memory cell of the memory unit of the (k + 1) th layer memory unit. And
[0030]
In order to achieve the above first and second objects, a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the fourth aspect of the present invention includes:
(A) N (where N ≧ 2) bit lines;
(B) N selection transistors;
(C) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate wires,
Consisting of
The memory unit of the first layer is formed above the selection transistor via the insulating layer,
N memory units are stacked via (N-1) interlayer insulating layers,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit, the first electrode of the memory cell is common,
In the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., N), the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is It is connected to the mth plate line that is shared between memory units,
One source / drain region of the nth selection transistor is connected to the nth bit line,
The other source / drain region of the first selection transistor is connected to a common first electrode in the memory unit of the first layer via a connection hole of the first layer provided in the insulating layer. ,
The other source / drain region of the (k + 1) -th (k = 1, 2,..., N−1) selection transistor has a first layer connection hole provided in the insulating layer, and The (k + 1) th through the (k + 1) th connection hole from the second layer connection hole provided in each of the interlayer insulation layers from the first interlayer insulation layer to the kth layer. A ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory connected to a common first electrode in the memory unit of the layer;
The top surface of the first layer connection hole formed in the insulating layer has a first conductor layer formed simultaneously with the first electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit, and Covered with a laminated structure of a second conductor layer formed simultaneously with the second electrode constituting the memory cell of the memory layer of the first layer;
The top surface of the (k + 1) th layer connection hole formed in the kth interlayer insulating layer is formed simultaneously with the first electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer memory unit. It is covered with a laminated structure of a first conductor layer and a second conductor layer formed at the same time as a second electrode constituting a memory cell of the memory unit of the (k + 1) th layer memory unit. And
[0031]
The semiconductor device of the present invention for achieving the third object is
(A) A memory cell including a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode is formed on an insulating layer provided on a semiconductor substrate on which a selection transistor is formed. A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having a structure in which N layers are stacked through an interlayer insulating layer (where N ≧ 2),
(B) a peripheral circuit for driving a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory;
A semiconductor device comprising:
The peripheral circuit includes a transistor formed on the semiconductor substrate, wiring formed on the insulating layer and the interlayer insulating layer, and a connection hole connecting the transistor and the wiring.
The connection hole is formed in the insulating layer on the source / drain region and / or the gate electrode of the transistor, and in the insulating layer and the interlayer insulating layer,
The top surface of the connection hole formed in the insulating layer constitutes the first conductor layer formed simultaneously with the first electrode constituting the first layer memory cell, and the first layer memory cell. Covered with a stacked structure of second conductor layers formed simultaneously with the second electrode,
The wiring formed on the insulating layer includes at least a second conductor layer formed simultaneously with the second electrode constituting the first-layer memory cell,
The top surface of the connection hole formed in the interlayer insulating layer of the k-th layer (where k = 1, 2,..., N−1) is the first of the memory cells of the (k + 1) -th layer. The first conductor layer formed simultaneously with the electrode and the second conductor layer formed simultaneously with the second electrode constituting the (k + 1) th layer memory cell are covered with the laminated structure. ,
The wiring formed on the k-th interlayer insulating layer includes at least a second conductor layer formed simultaneously with the second electrode constituting the (k + 1) -th memory cell. And
[0032]
In the semiconductor device of the present invention, the wiring formed on the insulating layer includes the first conductor layer formed simultaneously with the first electrode constituting the first-layer memory cell, and the first A layered structure of a second conductor layer formed simultaneously with the second electrode constituting the memory cell of the layer,
The wiring formed on the k-th layer (where k = 1, 2,..., N−1) interlayer insulating layer is simultaneously with the first electrode constituting the (k + 1) -th layer memory cell. The first conductor layer formed and the second conductor layer formed at the same time as the second electrode constituting the (k + 1) th memory cell may be stacked. .
[0033]
The configuration of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory in the semiconductor device of the present invention can be the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second to fourth aspects of the present invention.
[0034]
In the ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory or semiconductor device of the present invention (hereinafter, these may be collectively referred to simply as the present invention), it is only necessary to satisfy N ≧ 2, and a practical value of N For example, a power of 2 (2, 4, 8...) Can be mentioned. In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second to fourth aspects of the present invention, it is only necessary to satisfy M ≧ 2, and as an actual value of M, for example, a power of 2 ( 2, 4, 8 ...).
[0035]
In the ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory according to the second to fourth aspects of the present invention, practically, the ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory is paired (for convenience, the nonvolatile memory-A, the nonvolatile memory). The bit lines constituting the pair of ferroelectric nonvolatile semiconductor memories can be connected to the same sense amplifier. In this case, the selection transistor constituting the nonvolatile memory-A and the selection transistor constituting the nonvolatile memory-B may be connected to the same word line or connected to different word lines. May be. Depending on the configuration and operation method of the non-volatile memory-A and the non-volatile memory-B, one bit can be stored in each memory cell constituting the non-volatile memory-A and the non-volatile memory-B. One of the memory cells constituting the volatile memory-A and one of the memory cells constituting the nonvolatile memory-B connected to the same plate line as the memory cell are used as a pair. Complementary data can also be stored.
[0036]
Examples of the material constituting the ferroelectric layer in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory include a bismuth layered compound, more specifically, a Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric material. Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric materials belong to so-called non-stoichiometric compounds and are tolerant of compositional shifts at both sites of metal elements and anion (O, etc.) elements. It is also not uncommon for optimal electrical characteristics to be exhibited at a slight deviation from the stoichiometric composition. Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric materials include, for example, the general formula2O2)2+(Am-1BmO3m + 1)2-Can be expressed as Here, “A” represents one type of metal selected from the group consisting of metals such as Bi, Pb, Ba, Sr, Ca, Na, K, and Cd, and “B” represents Ti, Nb. , Ta, W, Mo, Fe, Co, Cr, and one type selected from the group consisting of a plurality of types, or a combination based on an arbitrary ratio. M is an integer of 1 or more.
[0037]
Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
(BiX, Sr1-X)2(SrY, Bi1-Y) (TaZ, Nb1-Z)2Od  Formula (1)
(However, 0.9 ≦ X ≦ 1.0, 0.7 ≦ Y ≦ 1.0, 0 ≦ Z ≦ 1.0, 8.7 ≦ d ≦ 9.3) It is preferable to include as a phase. Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
BiXSrYTa2Od  Formula (2)
However, it is preferable that a crystal phase represented by (X + Y = 3, 0.7 ≦ Y ≦ 1.3, 8.7 ≦ d ≦ 9.3) is included as a main crystal phase. In these cases, it is more preferable that 85% or more of the crystal phase represented by the formula (1) or (2) is contained as the main crystal phase. In formula (1), (BiX, Sr1-X) Means that Sr occupies the site originally occupied by Bi in the crystal structure, and the ratio of Bi and Sr at this time is X: (1-X). Also, (SrY, Bi1-Y) Means that Bi occupies the site originally occupied by Sr in the crystal structure, and the ratio of Sr and Bi at this time is Y: (1-Y). The material constituting the ferroelectric layer including the crystal phase represented by the formula (1) or (2) as the main crystal phase includes Bi oxide, Ta and Nb oxide, Bi, Ta and Nb. There may be some composite oxides.
[0038]
Alternatively, the material constituting the ferroelectric layer is
BiX(Sr, Ca, Ba)Y(TaZ, Nb1-Z)2Od  Formula (3)
(However, the crystal phase represented by 1.7 ≦ X ≦ 2.5, 0.6 ≦ Y ≦ 1.2, 0 ≦ Z ≦ 1.0, 8.0 ≦ d ≦ 10.0) is included. May be. “(Sr, Ca, Ba)” means one type of element selected from the group consisting of Sr, Ca, and Ba. If the composition of the material constituting the ferroelectric layer represented by each of these formulas is represented by the stoichiometric composition, for example, Bi2SrTa2O9, Bi2SrNb2O9, Bi2BaTa2O9, Bi2Sr (Ta, Nb)2O9Etc. Alternatively, as a material constituting the ferroelectric layer, BiFourSrTiFourO15, BiThreeTiNbO9, BiThreeTiTaO9, BiFourTiThreeO12, Bi2PbTa2O9In these cases, the ratio of each metal element can be changed to such an extent that the crystal structure does not change. That is, there may be a composition shift at both sites of the metal element and oxygen element.
[0039]
Alternatively, as a material constituting the ferroelectric layer, PbTiOThreePbZrO having a perovskite structureThreeAnd PbTiOThreeZirconate titanate [PZT, Pb (Zr1-y, Tiy) OThree(Where 0 <y <1)], PZT compounds such as PLZT, which is a metal oxide obtained by adding La to PZT, or PNZT, which is a metal oxide obtained by adding Nb to PZT.
[0040]
In order to obtain the ferroelectric layer, the ferroelectric thin film may be patterned in the process after the ferroelectric thin film is formed. In some cases, patterning of the ferroelectric thin film is not necessary. The ferroelectric thin film can be formed by a method suitable for the material constituting the ferroelectric thin film, such as MOCVD, pulse laser ablation, sputtering, or sol-gel. The patterning of the ferroelectric thin film can be performed by, for example, an anisotropic ion etching (RIE) method.
[0041]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second to fourth aspects of the present invention, the first electrode is formed below the ferroelectric layer, and the second electrode is formed on the ferroelectric layer. (That is, the first electrode corresponds to the lower electrode and the second electrode corresponds to the upper electrode), or the first electrode is formed on the ferroelectric layer. The second electrode may be formed under the ferroelectric layer (that is, the first electrode corresponds to the upper electrode and the second electrode corresponds to the lower electrode). The plate line is preferably configured to extend from the second electrode from the viewpoint of simplifying the wiring structure. In the laminated structure of the first conductor layer and the second conductor layer, in the former case, the first conductor layer is on the lower side and the second conductor layer is on the upper side. On the other hand, in the latter case, the second conductor layer is on the bottom and the first conductor layer is on the top. As a structure in which the first electrode is common, specifically, a configuration in which a stripe-shaped first electrode is formed and a ferroelectric layer is formed so as to cover the entire surface of the stripe-shaped first electrode. Can be mentioned. In such a structure, the overlapping region of the first electrode, the ferroelectric layer, and the second electrode corresponds to a memory cell. As a structure in which the first electrode is common, a structure in which each ferroelectric layer is formed in a predetermined region of the first electrode and the second electrode is formed on the ferroelectric layer, or In addition, each first electrode is formed on a predetermined surface region of the wiring layer, a ferroelectric layer is formed on each first electrode, and a second electrode is formed on the ferroelectric layer. However, the present invention is not limited to these configurations.
[0042]
Furthermore, in the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second to fourth aspects of the present invention, the first electrode is formed under the ferroelectric layer, and the second electrode is formed on the ferroelectric layer. In the configuration in which the first electrode is formed, the first electrode and the first conductor layer constituting the memory cell have a so-called damascene structure, and the first electrode is formed on the ferroelectric layer. In the case where the second electrode is formed under the ferroelectric layer, the second electrode constituting the memory cell has a so-called damascene structure, and the ferroelectric layer is placed on a flat base. It is preferable from the viewpoint that it can be formed.
[0043]
In the present invention, as a material constituting the first electrode, the first conductor layer, the second electrode, and the second conductor layer, for example, Ir, IrO2-X, SrIrOThree, Ru, RuO2-X, SrRuOThree, Pt, Pt / IrO2-X, Pt / RuO2-X, Pd, Pt / Ti laminated structure, Pt / Ta laminated structure, Pt / Ti / Ta laminated structure, La0.5Sr0.5CoOThree(LSCO), Pt / LSCO laminated structure, YBa2CuThreeO7Can be mentioned. Here, the value of X is 0 ≦ X <2. In the laminated structure, the material described before “/” constitutes the upper layer, and the material described after “/” constitutes the lower layer. The first electrode and the second electrode, or the first conductor layer and the second conductor layer may be made of the same material, or may be made of the same kind of material, You may be comprised from a dissimilar material. After forming the first conductive material layer or the second conductive material layer, the first electrode, the first conductive layer, or the second electrode or the second conductive layer is formed. In the process, the first conductive material layer or the second conductive material layer may be patterned. The first conductive material layer or the second conductive material layer is formed by, for example, a first conductive material layer or a second conductive material layer such as a sputtering method, a reactive sputtering method, an electron beam evaporation method, an MOCVD method, or a pulsed laser ablation method. It can be performed by a method suitable for the material constituting the conductive material layer. The patterning of the first conductive material layer and the second conductive material layer can be performed by, for example, an ion milling method or an RIE method.
[0044]
The selection transistor (switching transistor) and various types of transistors can be constituted by, for example, a well-known MIS type FET or MOS type FET. Examples of the material constituting the bit line include polysilicon doped with impurities and a refractory metal material. The connection hole can be obtained, for example, by embedding a tungsten plug.
[0045]
In the present invention, silicon oxide (SiO2), Silicon nitride (SiN), SiON, SOG, NSG, BPSG, PSG, BSG, or LTO.
[0046]
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory or semiconductor device of the present invention, the top surface of the connection hole is formed with the first conductor layer formed simultaneously with the first electrode and the second electrode formed simultaneously with the second electrode. Since it is covered with the laminated structure of the two conductor layers, the top surface of the connection hole is hardly damaged. Furthermore, since the connection hole is formed in each of the interlayer insulating layers, the aspect ratio of the connection hole does not increase to the left. In the semiconductor device according to the present invention, since the wiring constituting the peripheral circuit is composed of at least the second conductor layer formed simultaneously with the second electrode, the number of wiring layers in the peripheral circuit is reduced. Can be made.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments of the invention (hereinafter abbreviated as embodiments) with reference to the drawings.
[0048]
(Embodiment 1)
The first embodiment relates to a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory (hereinafter abbreviated as a nonvolatile memory) according to the first and second aspects of the present invention, and the semiconductor device of the present invention. FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor device of the first embodiment cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the bit lines extend. 2 is a schematic partial cross-sectional view when the semiconductor device of the first embodiment is cut along the arrow AA in FIG. Further, a conceptual circuit diagram of the nonvolatile memory according to the second aspect of the present invention is shown in FIGS. 3A and 3B, and more concrete than the conceptual circuit diagram of FIG. FIG. 4 shows a typical circuit diagram, and FIG. 5 shows a more specific circuit diagram of the conceptual circuit diagram of FIG. 4 and 5 show two nonvolatile memories M.1, M2These non-volatile memories M are shown in FIG.1, M2The structure of the non-volatile memory M will be described below.1Will be explained.
[0049]
The nonvolatile memory in the first embodiment includes a transistor TR1, TRP1~ TRP5A memory cell MC comprising first electrodes 21, 31, ferroelectric layers 23, 33 and second electrodes 24, 34 on an insulating layer 16 provided on a semiconductor substrate 10 on which is formed.111~ MC114, MC121~ MC124However, N layers (specifically, two layers) are stacked through (N−1) interlayer insulating layers (where N ≧ 2, N = 2 in the first embodiment) 26. This is a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having the above structure.
[0050]
And transistor TR1, TRP1~ TRP5Connection holes 17, 117, 27, 127, 217, 227 are formed in the insulating layer 16 and the interlayer insulating layer 26 on the source / drain regions 13, 113, 213 and / or the gate electrodes 12, 112, 212. The top surfaces of the connection holes 17, 117, and 217 formed in the insulating layer 16 are the first conductor layers 22 and 122 formed simultaneously with the first electrode 21 that constitutes the first-layer memory cell, And it is covered with a laminated structure of second conductor layers 25 and 125 formed simultaneously with the second electrode 24 constituting the memory cell of the first layer.
[0051]
Further, the connection holes 27 and 127 formed in the interlayer insulating layer 26 of the k-th layer (where k = 1, 2,..., N−1, k = 1 in the first embodiment). , 227 have first conductor layers 32 formed simultaneously with the first electrode 31 constituting the memory cell of the (k + 1) th layer (the second layer in the first embodiment), 132 and a stack of second conductor layers 35 and 135 formed at the same time as the second electrode 34 constituting the memory cell of the (k + 1) th layer (the second layer in the first embodiment). Covered by structure. In addition, illustration of the connection hole 27 covered with the laminated structure of the 1st conductor layer 32 and the 2nd conductor layer 35 was abbreviate | omitted. The same applies to the following embodiments.
[0052]
Alternatively, the nonvolatile memory M of the first embodiment1Is
(A) Bit line BL1When,
(B) Selection transistor TR1When,
(C) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 4 in the first embodiment).1NMN memory units MU (where N ≧ 2, N = 2 in the first embodiment)11, MU12When,
(D) M × N plate lines PL,
Consists of.
[0053]
And the first layer memory unit MU11Is a selection transistor TR through an insulating layer 16.1N memory units MUNAre stacked via an interlayer insulating layer 26 of (N-1) layers (one layer in the first embodiment).
[0054]
Also, the memory unit MU in the first layer11Each memory cell MC comprising11MIs composed of a first electrode 21, a ferroelectric layer 23, and a second electrode 24, and the second-layer memory unit MU.12Each memory cell MC comprising12MConsists of a first electrode 31, a ferroelectric layer 33 and a second electrode 34. Furthermore, in each memory unit, the first electrode of the memory cell is common. That is, the first layer memory unit MU11Memory cell MC11MThe first electrode 21 is common. The common first electrode 21 is connected to the first common node CN.11Sometimes called. In addition, the second layer memory unit MU12Memory cell MC12MThe first electrode 31 is common. The common first electrode 31 is connected to the second common node CN.12Sometimes called. Furthermore, the memory unit MU of the nth layer (where n = 1, 2,..., N)1n, The mth memory cell MC (where m = 1, 2,..., M)1nmThe second electrodes 24 and 34 are connected to the [(n−1) M + m] -th plate line PL.(n-1) M + mIt is connected to the. This plate line PL(n-1) M + mIs a non-volatile memory M2Are also connected to the second electrodes 24 and 34 of each memory cell. In the first embodiment, more specifically, each plate line extends from the second electrodes 24 and 34.
[0055]
Then, the selection transistor TR1One source / drain region 13A of the bit line BL1Connected to the transistor for selection TR1The other source / drain region 13B of the first layer is connected to the first layer memory unit MU via the first layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16.11First electrode 21 (first common node CN)11)It is connected to the. Furthermore, the transistor for selection TR1The other source / drain region 13B includes a first-layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16, and a k-th layer from the first interlayer insulating layer (where k = 1, 2,. .., N−1) to the (k + 1) th layer connection holes from the second layer connection holes provided in each of the interlayer insulating layers up to (N−1) (more specifically, in the first embodiment) The (k + 1) -th layer memory unit (in the first embodiment, more specifically, through the second-layer connection hole 27 provided in the first-layer interlayer insulating layer 26) Second layer memory unit MU12) Common first electrode 31 (second common node CN)12)It is connected to the.
[0056]
When N = 4, the other source / drain region of the selection transistor is
(1) It is connected to the first common electrode in the memory unit of the first layer through the connection hole of the first layer provided in the insulating layer,
(2) a first layer connection hole provided in the insulating layer, a stacked structure of a first conductor layer and a second conductor layer covering the top surface of the first layer connection hole, and It is connected to the common first electrode in the second layer memory unit through the second layer connection hole provided in the first interlayer insulating layer,
(3) First layer connection hole provided in the insulating layer, a laminated structure of the first conductor layer and the second conductor layer covering the top surface of the first layer connection hole, the first layer A second-layer connection hole provided in the interlayer insulating layer, a stacked structure of the first conductor layer and the second conductor layer covering the top surface of the second-layer connection hole, and a second layer Connected to the common first electrode in the memory unit of the third layer through the connection hole of the third layer provided in the interlayer insulating layer of the layer,
(4) First layer connection hole provided in the insulating layer, a laminated structure of the first conductor layer and the second conductor layer covering the top surface of the first layer connection hole, the first layer A second layer connection hole provided in the interlayer insulating layer, a laminated structure of the first conductor layer and the second conductor layer covering the top surface of the second layer connection hole, Third layer connection hole provided in interlayer insulating layer, laminated structure of first conductor layer and second conductor layer covering top surface of third layer connection hole, and third layer The fourth layer has a structure connected to a common first electrode in the memory unit of the fourth layer through a connection hole of the fourth layer provided in the interlayer insulating layer.
[0057]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 11In this case, the top surface of the first layer connection hole 17 formed in the insulating layer 16 is connected to the first layer memory unit MU.11Memory cell MC11MThe first conductor layer 22 formed simultaneously with the first electrode 21 constituting the first and the first layer memory unit MU11Memory cell MC11MIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 25 formed simultaneously with the second electrode 24 constituting the. On the other hand, a connection hole of the (k + 1) th layer (second layer in the first embodiment) formed in the interlayer insulating layer 26 of the kth layer (first layer in the first embodiment). The top surface of 27 is the memory unit MU of the (k + 1) th layer (the second layer in the first embodiment).12Memory cell MC12MThe first conductor layer 32 formed simultaneously with the first electrode 31 constituting the memory cell and the (k + 1) th layer memory unit MU12Memory cell MC12MIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 35 formed simultaneously with the second electrode 34 constituting the.
[0058]
Bit line BLnAre connected to the sense amplifier SA. Plate wire PL(n-1) M + mAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WL (or the word line WL1, WL2) Is connected to the word line decoder / driver WD. The word line WL extends in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Nonvolatile memory M1Memory cell MC constituting11mThe second electrode 24 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting21mThe second electrode of the plate line PL(n-1) M + mDoubles as Furthermore, the non-volatile memory M1Memory cell MC constituting12mThe second electrode 34 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting22mThe second electrode of the plate line PL(n-1) M + mDoubles as The word line WL is connected to the nonvolatile memory M.1Transistor TR for configuring1And a non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the plane of FIG.2Transistor TR for configuring2And is common.
[0059]
The semiconductor device of the first embodiment is
(A) Selection transistor TR1A memory cell MC comprising first electrodes 21, 31, ferroelectric layers 23, 33 and second electrodes 24, 34 on an insulating layer 16 provided on a semiconductor substrate 10 on which is formed.11m, MC12mIs a ferroelectric nonvolatile material having a structure in which N layers are stacked through (N-1) interlayer insulating layers (where N ≧ 2 and N = 2 in the first embodiment). Semiconductor memory,
(B) a peripheral circuit for driving a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory;
It is composed of
[0060]
The peripheral circuit is a transistor TR formed on the semiconductor substrate 10.P1~ TRP5Wirings 129 and 139 (see FIG. 2) formed on the insulating layer 16 and the interlayer insulating layer 26, and a transistor TRP1~ TRP5And connection holes 117, 127, 217, and 227 connecting the wirings 129 and 139. Further, the connection holes 117, 127, 217, and 227 are connected to the transistor TR.P1~ TRP5Formed in the insulating layer 16 on the source / drain regions 113 and 213 and / or the gate electrodes 112 and 212 (including the extension of the gate electrode functioning as a word line), or in the insulating layer 16 and the interlayer insulating layer 26 Has been. In FIG. 1, illustration of wiring configuring the peripheral circuit is omitted, but wiring is also formed in this peripheral circuit. The sense amplifier SA includes a transistor TR including a gate electrode 112 and a source / drain region 113.P1, TRP2Etc. In addition, the word line decoder / driver WD and the plate line decoder / driver PD include a transistor TR including a gate electrode 212 and a source / drain region 213.P3, TRP4, TRP5Etc.
[0061]
The top surfaces of the connection holes 117 and 217 formed in the insulating layer 16 are formed on the first-layer memory cell MC.11mThe first conductor layer 122 formed simultaneously with the first electrode 21 constituting the first memory cell MC and the first layer memory cell MC11mIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 125 formed simultaneously with the second electrode 24 constituting the. Furthermore, the wiring 129 formed on the insulating layer 16 is connected to the first-layer memory cell MC.11mThe second conductive layer 125 is formed simultaneously with the second electrode 24 constituting the.
[0062]
On the other hand, the connection holes 127 and 227 formed in the interlayer insulating layer 26 of the k-th layer (where k = 1, 2,..., N−1 and k = 1 in the first embodiment). The top surface is the memory cell MC in the (k + 1) th layer (the second layer in the first embodiment).12mThe first conductor layer 132 formed simultaneously with the first electrode 31 constituting the memory cell MC and the (k + 1) th layer memory cell MC12mIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 135 formed at the same time as the second electrode 34 constituting the. Furthermore, the wiring 139 formed on the k-th interlayer insulating layer 26 is connected to the (k + 1) -th layer memory cell MC.12mThe second electrode 34 is formed at the same time as the second electrode 34. In FIG. 2, a part of the wiring 139 is indicated by a dotted line. This means that the wiring 139 is formed so as to avoid contact with the connection hole 237A provided in the insulating film 36A.
[0063]
1 and 2, reference numeral 46A is an insulating film, reference numerals 150 and 250 are metal wirings, and reference numerals 137A and 237A are connection holes (contacts) provided in the insulating film 36A in the peripheral circuit. Hall).
[0064]
The nonvolatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG.1, M2In the non-volatile memory M1, M2Transistor TR for configuring1, TR2Are connected to the same word line WL. The paired memory cells MC1nm, MC2nmComplementary data are stored in (n = 1, 2, and m = 1, 2,... M). For example, the memory cell MC1nm, MC2nmWhen data stored in (where m is any one of 1, 2, 3 and 4) is read, the word line WL is selected and the plate line PLj(M ≠ j) has (1/2) VccWith the voltage of(n-1) M + mDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the complementary data is converted into a pair of memory cells MC.1nm, MC2nmTo transistor for selection TR1, TR2Bit line BL paired via1, BL2Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL1, BL2Is detected by the sense amplifier SA. Non-volatile memory M1, M2Transistor TR for configuring1, TR2, Different word lines WL1, WL2Connected to the memory cell MC1nm, MC2nmAre controlled independently to form a pair of bit lines BL1, BL2By applying a reference voltage to one of the memory cells MC1nm, MC2nmData can also be read from each of the above. Refer to FIG. 3B and FIG. 5 for a circuit diagram in the case of adopting such a configuration. The selection transistor TR1, TR2Are simultaneously equivalent to the circuit shown in FIG. 3A and FIG. Thus, each memory cell MC1nm, MC2nm1 bit is stored as data in each of (n = 1, 2 and m = 1, 2, 3, 4) (see FIG. 3B and FIG. 5) or a pair of memories Cell MC1nm, MC2nmIs stored as one bit (see FIG. 3A and FIG. 4). In an actual nonvolatile memory, a set of memory units storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit unit. The value of M is not limited to 4. The value of M only needs to satisfy M ≧ 2. As an actual value of M, for example, a power of 2 (2, 4, 8, 16...) Can be cited. Further, the value of N only needs to satisfy N ≧ 2. As an actual value of N, for example, a power of 2 (2, 4, 8,...) Can be given.
[0065]
Hereinafter, with reference to FIGS. 6 to 8 which are schematic partial cross-sectional views when a semiconductor substrate or the like is cut along a virtual vertical plane parallel to the extending direction of the bit line, the nonvolatile memory and the semiconductor according to the first embodiment An outline of a method for manufacturing the apparatus will be described. Note that the non-volatile memories in other embodiments can be manufactured by substantially the same process.
[0066]
[Step-100]
First, a MOS transistor that functions as a selection transistor in a nonvolatile memory or a transistor constituting a peripheral circuit is formed on the semiconductor substrate 10. Therefore, for example, the element isolation region 11 having a LOCOS structure is formed based on a known method. The element isolation region may have a trench structure, or a combination of a LOCOS structure and a trench structure. Thereafter, the surface of the semiconductor substrate 10 is oxidized by, for example, a pyrogenic method to form a gate insulating film. Next, after a polysilicon layer doped with impurities is formed on the entire surface by a CVD method, the polysilicon layer is patterned to form gate electrodes 12, 112, and 212. The gate electrodes 12, 112 and 212 also serve as word lines. Note that the gate electrodes 12, 112, and 212 can be made of polycide or metal silicide instead of the polysilicon layer. Next, ion implantation is performed on the semiconductor substrate 10 to form an LDD structure. Then, SiO is deposited on the entire surface by CVD.2After forming the layer, this SiO 22By etching back the layer, a gate sidewall (not shown) is formed on the side surface of the gate electrode 12. Next, after ion implantation is performed on the semiconductor substrate 10, source / drain regions 13A, 13B, 113, and 213 are formed by performing activation annealing of the implanted impurities.
[0067]
[Step-110]
Then SiO2After forming the lower insulating layer made of the above by the CVD method, an opening is formed by the RIE method in the lower insulating layer above the one source / drain region 13A. Then, a polysilicon layer doped with impurities is formed by CVD on the lower insulating layer including the inside of the opening. Thereby, a contact hole is formed. Next, the bit line BL is formed by patterning the polysilicon layer on the lower insulating layer.1Form. Thereafter, an upper insulating layer made of BPSG is formed on the entire surface by a CVD method. Note that it is preferable that after the formation of the upper insulating layer made of BPSG, the upper insulating layer is reflowed in a nitrogen gas atmosphere, for example, at 900 ° C. for 20 minutes. Furthermore, it is desirable to planarize the upper insulating layer by chemically and mechanically polishing the top surface of the upper insulating layer, for example, by a chemical mechanical polishing method (CMP method) as necessary. The lower insulating layer and the upper insulating layer are collectively referred to as an insulating layer 16.
[0068]
[Step-120]
Next, an opening is formed in the insulating layer 16 above the other source / drain region 13B and the source / drain regions 113 and 213 by the RIE method, and then the opening is filled with polysilicon doped with impurities. Connection holes (contact holes) 17, 117, 217 are completed (see FIG. 6A). The bit line BL extends on the lower insulating layer so as not to contact the connection hole 17 in the left-right direction in the drawing. In the figure, the connection hole 217 is not shown.
[0069]
The connection holes 17, 117, and 217 are formed in the opening formed in the insulating layer 16, for example, tungsten, Ti, Pt, Pd, Cu, TiW, TiNW, and WSi.2, MoSi2It can also be formed by embedding a metal wiring material composed of a refractory metal such as metal or a metal silicide. It is preferable that the top surfaces of the connection holes 17, 117, and 217 exist in substantially the same plane as the surface of the insulating layer 16. The conditions for filling the openings with tungsten and forming the connection holes 17, 117 and 217 are illustrated in Table 1 below. Note that before the opening is filled with tungsten, it is preferable that the Ti layer and the TiN layer are sequentially formed on the insulating layer 16 including the inside of the opening by, for example, magnetron sputtering. Here, the reason for forming the Ti layer and the TiN layer is to obtain an ohmic low contact resistance, to prevent damage to the semiconductor substrate 10 in the blanket tungsten CVD method, and to improve the adhesion of tungsten.
[0070]
Figure 0004706141
[0071]
[Step-130]
Next, it is desirable to form an adhesion layer (not shown) made of titanium nitride (TiN) on the insulating layer 16. Then, IrO on the adhesion layer2The first conductive material layer constituting the first electrode (lower electrode) 21 made of / Ir is formed by, for example, a sputtering method, and the first conductive material layer and the adhesion layer are formed by a photolithography technique and a dry etching technique. By patterning based on this, the striped first electrode 21 can be obtained. At the same time, the top surfaces of the connection holes 17, 117, and 217 formed in the insulating layer 16 are connected to the first conductor layer 22 formed at the same time as the first electrode 21 (in the first embodiment, further close contact) Layer) (see FIG. 6B). After that, the entire surface is made of SiO by the CVD method.2Film or SiO2/ TiO2A film (not shown) is formed, and the film is flattened by a CMP method to obtain a state in which the space between the first electrodes 21 is filled with this film (so-called damascene structure). In the CMP method, a slurry containing alumina may be used as an abrasive.
[0072]
For example, a SiN film is formed on the insulating layer 16, and then the SiN film in a portion where the first electrode and the first conductor layer are to be formed is selectively removed, and then the SiN film and the exposed insulating layer are formed. A first electrode having a so-called damascene structure is formed by forming an adhesion layer and a first conductive material layer on 16 and then removing the first conductive material layer and adhesion layer on the SiN film by CMP. The first conductor layer can also be formed.
[0073]
[Step-140]
Thereafter, a Bi-based layered structure perovskite ferroelectric material (specifically, for example, Bi having a crystallization temperature of 750 ° C.) is formed by, for example, MOCVD.2SrTa2O9Is formed over the entire surface. Thereafter, after drying in air at 250 ° C., heat treatment is performed in an oxygen gas atmosphere at 750 ° C. for 1 hour to promote crystallization. Thereafter, the ferroelectric thin film is patterned to form the ferroelectric layer 23.
[0074]
[Step-150]
Next, IrO2-XAfter a layer and a Pt layer are sequentially formed on the entire surface by sputtering, a Pt layer, an IrO layer are formed on the basis of a photolithography technique and a dry etching technique.2-XThe layers are sequentially patterned to form the second electrode 24 on the ferroelectric layer 23, the plate line PL extending from the second electrode 24, and the first conductor layers 22 and 122. Second conductor layers 25 and 125 are formed, and in addition, a wiring 129 is formed (see FIG. 7A). Note that the wiring 129 is not shown in FIG. When damage is applied to the ferroelectric layer 23 by etching, a damage recovery annealing process may be performed thereafter at a temperature required for damage recovery.
[0075]
[Step-160]
afterwards,
-Formation and planarization of the interlayer insulating layer 26
-Formation of opening and formation of connection holes 27, 127, 227 (see FIG. 7B)
For example, formation of the first electrode 31 having the damascene structure and the first conductor layers 32 and 132 (see FIG. 8A)
・ Bi with crystallization temperature of 700 ° C2Sr (Ta1.5Nb0.5) O9Formation of a ferroelectric layer 33 comprising
Formation of the second electrode 34, the second conductor layers 35 and 135, and the wiring 139 (see FIG. 8B)
Formation of insulating film 36A
-Formation of contact holes 137A, 237A
-Formation of metal wiring layers 150, 250 made of, for example, an aluminum alloy
-Formation of insulating film 46A
Are sequentially performed. In each drawing, the components represented by the above reference numbers may not be shown. Bi2Sr (Ta1.5Nb0.5) O9The ferroelectric layer 33 made of may be heat-treated for promoting crystallization in an oxygen gas atmosphere at 700 ° C. for 1 hour.
[0076]
If the crystallization temperature of the ferroelectric layer constituting the upper memory unit is set lower than the crystallization temperature of the ferroelectric layer constituting the lower memory unit, Even if the crystallization heat treatment is performed for the number of stages, there is no problem of deterioration of characteristics of the memory cells constituting the memory unit located below. In addition, crystallization heat treatment can be performed under optimum conditions on the memory cells constituting the memory unit in each stage, and a nonvolatile memory with excellent characteristics can be obtained. Table 2 below illustrates the crystallization temperature.
[0077]
[Table 2]
Material name Crystallization temperature
Bi2SrTa2O9                   700-800 ° C
Bi2Sr (Ta1.5, Nb0.5) O9    650-750 ° C
BiFourTiThreeO12                      600-700 ° C
Pb (Zr0.48, Ti0.52) OThree       550-650 ° C
PbTiOThree                         500-600 ° C
[0078]
For example, Bi2SrTa2O9Table 3 below illustrates conditions for forming a ferroelectric thin film made of In Table 3, “thd” is an abbreviation for tetramethylheptanedionate. The source materials shown in Table 3 are dissolved in a solvent containing tetrahydrofuran (THF) as a main component.
[0079]
Figure 0004706141
[0080]
Alternatively, Bi2SrTa2O9It is also possible to form a ferroelectric thin film made of the above by the pulse laser ablation method, the sol-gel method, or the RF sputtering method. The formation conditions in these cases are exemplified below. When a thick ferroelectric thin film is formed by the sol-gel method, a desired number of times of spin coating and drying, or spin coating and baking (or annealing treatment) may be repeated.
[0081]
[Table 4]
Formation by pulsed laser ablation
Target: Bi2SrTa2O9
Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns, 5 Hz)
Formation temperature: 400-800 ° C
Oxygen concentration: 3 Pa
[0082]
Figure 0004706141
[0083]
[Table 6]
Formation by RF sputtering
Target: Bi2SrTa2O9Ceramic target
RF power: 1.2W-2.0W / target 1cm2
Atmospheric pressure: 0.2 to 1.3 Pa
Formation temperature: Room temperature to 600 ° C
Process gas: Ar / O2Flow rate ratio = 2/1 to 9/1
[0084]
Table 7 below illustrates the formation conditions of PZT or PLZT by magnetron sputtering when the ferroelectric layer is made of PZT or PLZT. Alternatively, PZT or PLZT can be formed by reactive sputtering, electron beam evaporation, sol-gel, or MOCVD.
[0085]
[Table 7]
Target: PZT or PLZT
Process gas: Ar / O2= 90% by volume / 10% by volume
Pressure: 4Pa
Power: 50W
Formation temperature: 500 ° C
[0086]
Furthermore, PZT and PLZT can be formed by a pulse laser ablation method. The formation conditions in this case are illustrated in Table 8 below.
[0087]
[Table 8]
Target: PZT or PLZT
Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse width 25 ns, 3 Hz)
Output energy: 400 mJ (1.1 J / cm2)
Formation temperature: 550-600 ° C
Oxygen concentration: 40 to 120 Pa
[0088]
Note that the wiring formed on the insulating layer 16 is connected to the first-layer memory cell MC.11mA first conductor layer formed at the same time as the first electrode 21 and the first-layer memory cell MC11mThe second electrode layer is formed at the same time as the second electrode layer, and the k-th layer (where k = 1, 2,..., N−1, 1, the wiring formed on the k = 1) interlayer insulating layer 26 is connected to the (k + 1) th layer memory cell MC.12mThe first conductor layer formed simultaneously with the first electrode 31 constituting the memory cell and the (k + 1) th layer memory cell MC12mIt is also possible to form a laminated structure of second conductor layers formed simultaneously with the second electrode 34 constituting the.
[0089]
(Embodiment 2)
The second embodiment relates to the nonvolatile memory according to the first and third aspects of the present invention and the semiconductor device of the present invention. FIG. 9 shows a schematic partial cross-sectional view when the semiconductor device of the second embodiment is cut along a virtual vertical plane parallel to the extending direction of the bit line. A schematic partial cross-sectional view of the semiconductor device of the second embodiment cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the word lines extend has substantially the same configuration as shown in FIG. Further, a conceptual circuit diagram of the nonvolatile memory according to the second aspect of the present invention is shown in FIGS. 10A and 10B, and more concrete than the conceptual circuit diagram of FIG. FIG. 11 shows a typical circuit diagram, and FIG. 12 shows a more specific circuit diagram of the conceptual circuit diagram of FIG. 11 and 12 show two nonvolatile memories M.1, M2These non-volatile memories M are shown in FIG.1, M2The structure of the non-volatile memory M will be described below.1Will be explained. Further, since the peripheral circuit can have substantially the same configuration as the peripheral circuit in the semiconductor device of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0090]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 21Is
(A) Bit line BL1When,
(B) N selection transistors TR (where N ≧ 2 and N = 2 in the second embodiment)11, TR12When,
(C) Each of M memory cells MC (where M ≧ 2 and M = 4 in the second embodiment)11M, MC12MN memory units MU composed of11, MU12When,
(D) M plate wires PLM,
Consists of.
[0091]
And the first layer memory unit MU11Is a selection transistor TR through an insulating layer 16.11, TRtwenty oneN memory units MU11, MU12Are stacked via an interlayer insulating layer 26 of (N-1) layers (one layer in the second embodiment).
[0092]
Also, the memory unit MU in the first layer11Each memory cell MC comprising11MIs composed of a first electrode 21, a ferroelectric layer 23, and a second electrode 24, and the second-layer memory unit MU.12Each memory cell MC comprising12MConsists of a first electrode 31, a ferroelectric layer 33 and a second electrode 34. Furthermore, in each memory unit, the first electrode of the memory cell is common. That is, the first layer memory unit MU11Memory cell MC11MThe first electrode 21 is common. The common first electrode 21 is connected to the first common node CN.11Sometimes called. In addition, the second layer memory unit MU12Memory cell MC12MThe first electrode 31 is common. The common first electrode 31 is connected to the second common node CN.12Sometimes called. Furthermore, the memory unit MU of the nth layer (where n = 1, 2,..., N)1n, The second electrodes 24 and 34 of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) are connected to the memory unit MU.1nThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. In the second embodiment, more specifically, each plate line extends from the second electrodes 24 and 34.
[0093]
Each selection transistor TR11, TR12One source / drain region 13A of the bit line BL1Connected to the first selection transistor TR11The other source / drain region 13B of the first layer is connected to the first layer memory unit MU via the first layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16.11First electrode 21 (first common node CN)11)It is connected to the. Further, the (k + 1) -th selection transistor TR (where k = 1, 2,..., N−1 and k = 1 in the second embodiment).12The other source / drain region 13B includes a first-layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16, and a k-th layer from the first interlayer insulating layer (provided that k = 1, 2,. .., N−1) to the (k + 1) th layer connection holes from the second layer connection holes provided in each of the interlayer insulating layers up to (N−1) (more specifically, in the second embodiment, The memory unit MU of the (k + 1) th layer is connected via the connection hole 27 of the second layer provided in the interlayer insulating layer 26 of the first layer.12First electrode 31 (second common node CN)12)It is connected to the.
[0094]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 21Even in this case, the top surface of the first layer connection hole 17 formed in the insulating layer 16 is connected to the first layer memory unit MU.11Memory cell MC11mThe first conductor layer 22 formed simultaneously with the first electrode 21 constituting the first and the first layer memory unit MU11Memory cell MC11MIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 25 formed simultaneously with the second electrode 24 constituting the. On the other hand, the connection hole of the (k + 1) th layer (second layer in the second embodiment) formed in the interlayer insulating layer 26 of the kth layer (first layer in the second embodiment). The top surface of 27 is the memory unit MU of the (k + 1) th layer (second layer in the second embodiment).12Memory cell MC12MThe first conductor layer 32 formed simultaneously with the first electrode 31 constituting the memory cell and the (k + 1) th layer memory unit MU12Memory cell MC12MIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 35 formed simultaneously with the second electrode 34 constituting the.
[0095]
Bit line BLnAre connected to the sense amplifier SA. Plate wire PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WL1, WL2(Or word line WL11, WL12, WLtwenty one, WLtwenty two) Is connected to the word line decoder / driver WD. The word line extends in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Nonvolatile memory M1Memory cell MC constituting11mThe second electrode 24 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting21mThe second electrode of the plate line PLmDoubles as Furthermore, the non-volatile memory M1Memory cell MC constituting12mThe second electrode 34 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting22mThe second electrode of the plate line PLmDoubles as These plate lines PLmAre connected in a region not shown. Also, the word line WL1Is a non-volatile memory M1Transistor TR for configuring11And a non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Transistor TR for configuringtwenty oneAnd is common. Furthermore, the word line WL2Is a non-volatile memory M1Transistor TR for configuring12And a non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Transistor TR for configuringtwenty twoAnd is common.
[0096]
When N = 4, the other source / drain region of the first selection transistor is connected to the first layer memory via the first layer connection hole provided in the insulating layer. Connected to a common first electrode in the unit. The other source / drain region of the second selection transistor is a first conductor that covers the first layer connection hole provided in the insulating layer and the top surface of the first layer connection hole. First electrode common to the memory unit of the second layer through the stacked structure of the layer and the second conductor layer, and the connection hole of the second layer provided in the interlayer insulating layer of the first layer It is connected to the. Further, the other source / drain region of the third selection transistor has a first conductive hole covering the top surface of the first layer connection hole and the first layer connection hole provided in the insulating layer. Laminated structure of body layer and second conductor layer, second layer connection hole provided in first interlayer insulating layer, first conductor covering top surface of second layer connection hole The first electrode common to the memory unit of the third layer through the stacked structure of the layer and the second conductor layer and the connection hole of the third layer provided in the interlayer insulating layer of the second layer It is connected to the. The other source / drain region of the fourth selection transistor is the first conductor covering the first layer connection hole provided in the insulating layer and the top surface of the first layer connection hole. Layer and the second conductor layer, the second layer connection hole provided in the first interlayer insulating layer, the first conductor layer covering the top surface of the second layer connection hole And a second conductive layer, a third connection hole provided in the second interlayer insulating layer, a first conductive layer covering the top surface of the third connection hole, Connected to the common first electrode in the memory unit of the fourth layer through the laminated structure of the second conductor layer and the connection hole of the fourth layer provided in the third interlayer insulating layer Has been. Note that the non-volatile memory in Embodiment 3 described later has the same structure even when N = 4.
[0097]
The nonvolatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG.1, M2In the non-volatile memory M1, M2Transistor TR for configuring1n, TR2nIs the same word line WLnIt is connected to the. The paired memory cells MC1nm, MC2nmComplementary data are stored in (n = 1, 2, and m = 1, 2,... M). For example, the memory cell MC11m, MC21mWhen reading data stored in (where m is 1, 2, 3, or 4), the word line WL1Select the plate line PLj(M ≠ j) has (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the complementary data is converted into a pair of memory cells MC.11m, MC21mTo transistor for selection TR11, TRtwenty oneBit line BL paired via1, BL2Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL1, BL2Is detected by the sense amplifier SA. Non-volatile memory M1, M2Transistor TR for configuring11, TR12, TRtwenty one, TRtwenty two, Different word lines WL11, WL12, WLtwenty one, WLtwenty twoConnected to the memory cell MC1nm, MC2nmAre controlled independently to form a pair of bit lines BL1, BL2By applying a reference voltage to one of the memory cells MC1nm, MC2nmData can also be read from each of the above. Refer to FIG. 10B and FIG. 12 for a circuit diagram in the case of adopting such a configuration. The selection transistor TR11, TRtwenty oneAre simultaneously driven to select transistors TR12, TRtwenty twoAre driven simultaneously, it is equivalent to the circuit shown in FIG. 10A and FIG. Thus, each memory cell MC1nm, MC2nm(1 bit is stored as data in each of m = 1, 2, 3, 4) (see FIG. 10B and FIG. 12) or a pair of memory cells MC1nm, MC2nmIs stored as one bit (see FIG. 10A and FIG. 11). In an actual nonvolatile memory, a set of memory units storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit unit. The value of M is not limited to 4. The value of M only needs to satisfy M ≧ 2. As an actual value of M, for example, a power of 2 (2, 4, 8, 16...) Can be cited. Further, the value of N only needs to satisfy N ≧ 2. As an actual value of N, for example, a power of 2 (2, 4, 8,...) Can be given.
[0098]
Since the nonvolatile memory and the semiconductor device of Embodiment 2 can be manufactured by substantially the same method as the manufacturing method of the nonvolatile memory and the semiconductor device of Embodiment 1, detailed description is omitted.
[0099]
(Embodiment 3)
The third embodiment relates to the nonvolatile memory according to the first and fourth aspects of the present invention and the semiconductor device of the present invention. FIG. 13 shows a schematic partial cross-sectional view when the semiconductor device of the third embodiment is cut along a virtual vertical plane parallel to the extending direction of the bit line. A schematic partial sectional view of the semiconductor device of the third embodiment cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the word lines extend has substantially the same configuration as shown in FIG. Further, conceptual circuit diagrams of the nonvolatile memory according to the third aspect of the present invention are shown in FIGS. 14A and 14B, and a specific circuit diagram is shown in FIG. 14A and 14B show two nonvolatile memories M.1, M2These non-volatile memories M are shown in FIG.1, M2The structure of the non-volatile memory M will be described below.1Will be explained. Further, since the peripheral circuit can have substantially the same configuration as the peripheral circuit in the semiconductor device of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0100]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 31Is
(A) N (where N ≧ 2 and in the third embodiment, N = 2) bit line BL11, BL12When,
(B) N selection transistors TR11, TR12When,
(C) M memory cells MC each (where M ≧ 2 and M = 4 in the third embodiment)11M, MC12MN memory units MU composed of11, MU12When,
(D) M plate wires PLM,
Consists of.
[0101]
14 and 15, the bit line BL11And selection transistor TR11And memory cell MC11MMemory unit MU composed of11Sub unit SU11And the bit line BL12And selection transistor TR12And memory cell MC12MMemory unit MU composed of12Sub unit SU12Represented by
[0102]
And the first layer memory unit MU11Is a selection transistor TR through an insulating layer 16.11, TR12N memory units MU11, MU12Are stacked via an interlayer insulating layer 26 of (N-1) layers (one layer in the third embodiment).
[0103]
Also, the memory unit MU in the first layer11Each memory cell MC comprising11MIs composed of a first electrode 21, a ferroelectric layer 23, and a second electrode 24, and the second-layer memory unit MU.12Each memory cell MC comprising12MConsists of a first electrode 31, a ferroelectric layer 33 and a second electrode 34. Furthermore, in each memory unit, the first electrode of the memory cell is common. That is, the first layer memory unit MU11Memory cell MC11MThe first electrode 21 is common. The common first electrode 21 is connected to the first common node CN.11Sometimes called. In addition, the second layer memory unit MU12Memory cell MC12MThe first electrode 31 is common. The common first electrode 31 is connected to the second common node CN.12Sometimes called. Furthermore, the memory unit MU of the nth layer (where n = 1, 2,..., N)1n, The second electrodes 24 and 34 of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) are connected to the memory unit MU.1nThe mth plate line PL common to allmIt is connected to the. In the third embodiment, more specifically, each plate line extends from the second electrodes 24 and 34.
[0104]
The nth selection transistor TR1nOne source / drain region 13A of the nth bit line BL1nConnected to the first selection transistor TR11The other source / drain region 13B of the first layer is connected to the first layer memory unit MU via the first layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16.11First electrode 21 (first common node CN)11)It is connected to the. In addition, the (k + 1) th selection transistor TR (where k = 1, 2,..., N−1, and k = 1 in the third embodiment).12The other source / drain region 13B includes a first-layer connection hole 17 provided in the insulating layer 16, and a k-th layer from the first interlayer insulating layer (where k = 1, 2,. .., (N−1) to the (k + 1) th layer connection holes from the second layer connection holes provided in each of the interlayer insulating layers up to (N−1) (more specifically, in the third embodiment) The memory unit MU of the (k + 1) th layer is connected through the connection hole 27 of the second layer provided in the interlayer insulating layer 26 of the first layer.12First electrode 31 (second common node CN)12)It is connected to the.
[0105]
Nonvolatile Memory M of Embodiment 31Even in this case, the top surface of the first layer connection hole 17 formed in the insulating layer 16 is connected to the first layer memory unit MU.11Memory cell MC11mThe first conductor layer 22 formed simultaneously with the first electrode 21 constituting the first and the first layer memory unit MU11Memory cell MC11MIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 25 formed simultaneously with the second electrode 24 constituting the. On the other hand, the connection hole of the (k + 1) th layer (second layer in the third embodiment) formed in the interlayer insulating layer 26 of the kth layer (first layer in the third embodiment). The top surface of 27 is the memory unit MU of the (k + 1) th layer (second layer in the second embodiment).12Memory cell MC12MThe first conductor layer 32 formed simultaneously with the first electrode 31 constituting the memory cell and the (k + 1) th layer memory unit MU12Memory cell MC12MIs covered with a laminated structure of a second conductor layer 35 formed simultaneously with the second electrode 34 constituting the.
[0106]
Bit line BL1nAre connected to the sense amplifier SA. Plate wire PLMAre connected to a plate line decoder / driver PD. Furthermore, the word line WL1, WL2(Or word line WL11, WL12, WLtwenty one, WLtwenty two) Is connected to the word line decoder / driver WD. The word line extends in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. Nonvolatile memory M1Memory cell MC constituting11mThe second electrode 24 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting21mThe second electrode of the plate line PLmDoubles as Furthermore, the non-volatile memory M1Memory cell MC constituting12mThe second electrode 34 of the non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.2Memory cell MC constituting22mThe second electrode of the plate line PLmDoubles as These plate lines PLmAre connected in a region not shown. Also, the word line WL1Is a non-volatile memory M1Transistor TR for configuring11And a non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the sheet of FIG.2Transistor TR for configuringtwenty oneAnd is common. Furthermore, the word line WL2Is a non-volatile memory M1Transistor TR for configuring12And a non-volatile memory M adjacent in the direction perpendicular to the sheet of FIG.2Transistor TR for configuringtwenty twoAnd is common.
[0107]
The nonvolatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG.1, M2In the non-volatile memory M1, M2Transistor TR for configuring11, TRtwenty oneIs the same word line WL1Connected to the transistor for selection TR12, TRtwenty twoIs the same word line WL2It is connected to the. The paired memory cells MC1nm, MC2nmComplementary data are stored in (n = 1, 2, and m = 1, 2,... M). For example, the memory cell MC11m, MC21mWhen reading data stored in (where m is 1, 2, 3, or 4), the word line WL1Select the plate line PLj(M ≠ j) has (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. Where VccIs, for example, a power supply voltage. As a result, the complementary data is converted into a pair of memory cells MC.11m, MC21mTo transistor for selection TR11, TRtwenty oneBit line BL paired via11, BLtwenty oneAppears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL11, BLtwenty oneIs detected by the sense amplifier SA. Non-volatile memory M1, M2Transistor TR for configuring11, TR12, TRtwenty one, TRtwenty two, Different word lines WL11, WL12, WLtwenty one, WLtwenty twoConnected to the memory cell MC1nm, MC2nmAre controlled independently to form a pair of bit lines BL11, BLtwenty oneOr paired bit line BL12, BLtwenty twoBy applying a reference voltage to one of the memory cells MC1nm, MC2nmData can also be read from each of the above. Refer to FIG. 14B and FIG. 15 for a circuit diagram in the case of adopting such a configuration. The selection transistor TR11, TRtwenty oneAre simultaneously driven to select transistors TR12, TRtwenty twoAre driven simultaneously, it is equivalent to the circuit shown in FIG. Thus, each memory cell MC1nm, MC2nm(1 bit is stored as data in each of m = 1, 2, 3, 4) (see FIG. 14B) or a pair of memory cells MC1nm, MC2nmIs stored as one bit (see FIG. 14A). In an actual nonvolatile memory, a set of memory units storing 16 bits or 8 bits is arranged in an array as an access unit unit. The value of M is not limited to 4. The value of M only needs to satisfy M ≧ 2. As an actual value of M, for example, a power of 2 (2, 4, 8, 16...) Can be cited. Further, the value of N only needs to satisfy N ≧ 2. As an actual value of N, for example, a power of 2 (2, 4, 8,...) Can be given.
[0108]
Alternatively, the nonvolatile memory M whose circuit diagram is shown in FIG.1For example, a pair of memory cells MC11m, MC12mData complementary to (m = 1, 2,..., M) may be stored. For example, the memory cell MC11m, MC12mWhen reading data stored in (where m is 1, 2, 3, or 4), the word line WL1, WL2Select the plate line PLj(M ≠ j) includes, for example, (1/2) VccWith the voltage ofmDrive. As a result, the complementary data is converted into a pair of memory cells MC.11m, MC12mTo transistor for selection TR11, TR12Bit line BL paired via11, BL12Appears as a voltage (bit line potential). The paired bit lines BL11, BL12Is detected by the sense amplifier SA. The memory cell MC11m, MC12mAre controlled independently to form a pair of bit lines BL11, BL12By applying a reference voltage to one of the memory cells MC11m, MC12mData can also be read from each of the above. Refer to FIG. 14B and FIG. 15 for a circuit diagram in the case of adopting such a configuration.
[0109]
Since the nonvolatile memory and the semiconductor device of Embodiment 3 can be manufactured by substantially the same method as the manufacturing method of the nonvolatile memory and the semiconductor device of Embodiment 1, detailed description is omitted.
[0110]
As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment of this invention, this invention is not limited to these. The structure of the nonvolatile memory and the semiconductor device, the materials used, various formation conditions, the circuit configuration, the driving method, and the like described in the embodiment of the invention are examples, and can be changed as appropriate.
[0111]
In general, A = B + C, where A is the total number of signal lines for driving the unit units, B is the number of word lines, and C is the number of plate lines. Here, when the total number A is constant, in order to maximize the total number of addresses (= B × C) of the unit unit, it is sufficient to satisfy B = C. Therefore, in order to arrange peripheral circuits most efficiently, the number B of word lines and the number C of plate lines in the unit unit may be made equal. In addition, the number of word lines in the row address access unit unit corresponds to, for example, the number of stacked memory cells, and the number of plate lines corresponds to the number of memory cells constituting the memory unit. As the number of lines increases, the degree of substantial non-volatile memory integration increases. The product of the number of word lines and the number of plate lines is the number of accessible addresses. Here, on the premise of continuous and continuous access, the value obtained by subtracting “1” from the product is the number of disturbances. Therefore, the value of the product of the number of word lines and the number of plate lines is determined from the disturbance tolerance of the memory cells, process factors, and the like. Here, the disturbance is a phenomenon in which an electric field is applied to the ferroelectric layer constituting a non-selected memory cell in a direction in which polarization is reversed, that is, in a direction in which stored data is deteriorated or destroyed. Point to.
[0112]
The nonvolatile memory described in Embodiment 2 can be modified as in the structure shown in FIG. A circuit diagram is shown in FIG.
[0113]
This nonvolatile memory includes a bit line BL connected to the sense amplifier SA.1N transistors (where N ≧ 2, N = 4 in this example) made up of MOS FETs are selected.11, TR12, TR13, TR14And N memory units MU11, MU12, MU13, MU14And a plate wire. First layer memory unit MU11Is M memory cells (where M ≧ 2 and M = 8 in this example).11m(M = 1, 2,... 8). In addition, the second layer memory unit MU12M memory cells MC (M = 8)12m(M = 1, 2,... 8). Furthermore, the third layer memory unit MU13M memory cells MC (M = 8)13m(M = 1, 2,... 8), and the fourth layer memory unit MU14M memory cells MC (M = 8)14m(M = 1, 2,... 8). The number of plate lines is M (8 in this example), and PLm(M = 1, 2,... 8). Selection transistor TR1nWord line WL connected to the gate electrode of1nAre connected to a word line decoder / driver WD. On the other hand, each plate line PLmAre connected to a plate line decoder / driver PD.
[0114]
Also, the memory unit MU in the first layer11Each memory cell MC comprising11mIs composed of the first electrode 21A, the ferroelectric layer 23A, and the second electrode 24, and the second layer memory unit MU.12Each memory cell MC comprising12mIncludes a first electrode 21B, a ferroelectric layer 23B, and a second electrode 24, and a third memory unit MU.13Each memory cell MC comprising13mIncludes a first electrode 31A, a ferroelectric layer 33A, and a second electrode 34, and includes a fourth memory unit MU.14Each memory cell MC comprising14mConsists of a first electrode 31B, a ferroelectric layer 33B, and a second electrode. And each memory unit MU11, MU12, MU13, MU14, The first electrodes 21A, 21B, 31A, 31B of the memory cells are common. For the sake of convenience, the common first electrodes 21A, 21B, 31A, 31B are connected to the common node CN.11, CN12, CN13, CN14Call it.
[0115]
Here, the memory unit MU of the first layer11First electrode 21A (first common node CN)11) Is the first selection transistor TR11Via the bit line BL1It is connected to the. In addition, the second layer memory unit MU12First electrode 21B (second common node CN)12) Is the second selection transistor TR12Via the bit line BL1It is connected to the. Furthermore, the third layer memory unit MU13First electrode 31A (third common node CN)13) Is the third selection transistor TR13Via the bit line BL1It is connected to the. Also, the fourth layer memory unit MU14Common electrode 31B (fourth common node CN)14) Is the fourth selection transistor TR14Via the bit line BL1It is connected to the.
[0116]
Also, the memory unit MU in the first layer11Memory cell MC constituting11mAnd the second layer memory unit MU12Memory cell MC constituting12mShare the second electrode 24, and the shared mth second electrode 24 is the plate line PL.mIt is connected to the. Furthermore, the third layer memory unit MU13Memory cell MC constituting13mAnd the fourth layer memory unit MU14Memory cell MC constituting14mShare the second electrode 34, and the shared m-th second electrode 34 is the plate line PL.mIt is connected to the. Specifically, the plate line PL extends from the shared extension of the mth second electrode 24.mAnd the plate line PL extends from the extended portion of the shared mth second electrode 34.mEach plate line PLmAre connected in a region not shown.
[0117]
In this nonvolatile memory, the memory unit MU11, MU12And memory unit MU13, MU14Are stacked via an interlayer insulating layer 26. Memory unit MU14Is covered with an insulating film 36A. In addition, the memory unit MU11Is formed above the semiconductor substrate 10 via an insulating layer 16. An element isolation region 11 is formed in the semiconductor substrate 10. The selection transistor TR11, TR12, TR13, TR14Consists of a gate electrode 12, a gate insulating film, and a source / drain region 13. The first selection transistor TR11, Second selection transistor TR12, Third selection transistor TR13, Fourth selection transistor TR14One source / drain region 13 of bit line BL is connected to bit line BL via a contact hole.1It is connected to the. The first selection transistor TR11The other source / drain region 13 of the first common node CN is connected via a connection hole 17 provided in an opening formed in the insulating layer 16.11It is connected to the. Further, the second selection transistor TR12The other source / drain region 13 is connected to the second common node CN via the connection hole 17, the first conductor layer 22A, the second conductor layer 25, and the first conductor layer 22B.12It is connected to the. The third selection transistor TR13The other source / drain region 13 includes a connection hole 17, a first conductor layer 22 A, a second conductor layer 25, a first conductor layer 22 B, and an interlayer insulating layer 26 formed on the insulating layer 16. The third common node CN via a connection hole 27 provided in the opening formed in13It is connected to the. Furthermore, the fourth selection transistor TR14The other source / drain region 13 includes a connection hole 17, a first conductor layer 22A formed on the insulating layer 16, a second conductor layer 25, a first conductor layer 22B, a connection hole 27, The fourth common node CN via the first conductor layer 32A, the second conductor layer 35, and the first conductor layer 32B formed on the interlayer insulating layer 26.14It is connected to the.
[0118]
In addition, the nonvolatile memory according to the second to fourth aspects of the present invention can be a so-called gain cell type. A circuit diagram of such a nonvolatile memory is shown in FIG. 18, a schematic layout of various transistors constituting the nonvolatile memory is shown in FIG. 19, and a schematic partial sectional view of the nonvolatile memory is shown in FIG. It shows in FIG. In FIG. 19, various transistor regions are surrounded by dotted lines, active regions and wirings are indicated by solid lines, and gate electrodes or word lines are indicated by alternate long and short dash lines. 20 is a schematic partial cross-sectional view taken along line AA in FIG. 19, and is a schematic partial cross-sectional view of the nonvolatile memory shown in FIG. The partial cross-sectional view is a schematic partial cross-sectional view taken along line BB in FIG.
[0119]
This nonvolatile memory includes, for example, a bit line BL and a write transistor (a selection transistor in the nonvolatile memory according to the second to fourth aspects of the present invention) TR.WAnd M (where M ≧ 2, for example, M = 8) memory cells MCMAnd N memory units MU stacked via an interlayer insulating layer and M plate lines PLMIt is comprised from the memory unit MU which consists of. In the drawing, only the first-layer memory unit is shown. And each memory cell MCMIncludes a first electrode 21, a ferroelectric layer 23, and a second electrode 24, and constitutes a memory cell MC constituting the memory unit MU.MThe first electrode 21 is common in the memory unit MU, and the common first electrode (common node CN) is the write transistor TR.WConnected to the bit line BL through the memory cell MCmThe second electrode 24 constituting the plate line PLmIt is connected to the. Memory cell MCMIs covered with an interlayer insulating layer 26. Note that the number (M) of the memory cells constituting the memory unit MU of the nonvolatile memory is not limited to eight. In general, it is sufficient that M ≧ 2 is satisfied, and a power of 2 (M = 2, 4, 4). 8, 16...
[0120]
Further, a signal detection circuit that detects a potential change of the common first electrode and transmits the detection result to the bit line as a current or a voltage is provided. In other words, the detection transistor TRSAnd reading transistor TRRIt has. The signal detection circuit includes a detection transistor TRSAnd reading transistor TRRIt is composed of Then, the detection transistor TRSOne end of theccIs connected to a wiring (for example, a power supply line composed of an impurity layer), and the other end is a reading transistor TR.RConnected to the bit line BL through the memory cell MCmWhen the data stored in is read, the reading transistor TRRIs rendered conductive, and each memory cell MCmTransistor TR for detection based on the potential generated at the common first electrode (common node CN) based on the data stored inSIs controlled.
[0121]
Specifically, the various transistors are composed of MOS type FETs, and write transistors (selection transistors) TRWOne source / drain region is connected to the bit line BL through a contact hole 14 formed in the insulating layer 16, and the other source / drain region is provided in an opening formed in the insulating layer 16. It is connected to the common first electrode (common node CN) via the connection hole 17. Also, the detection transistor TRSOne source / drain region of the transistor has a predetermined potential VccThe other source / drain region is connected to a wiring having a read transistor TRRAre connected to one of the source / drain regions. More specifically, the detection transistor TRSThe other source / drain region and the reading transistor TRROne of the source / drain regions occupies one source / drain region. Further, the reading transistor TRRThe other source / drain region is connected to the bit line BL through the contact hole 14, and is further connected to the common first electrode (the common node CN or the write transistor TR).WThe other source / drain region) is a connection hole 17A provided in the opening and the word line WL.SDetection transistor TR viaSConnected to the gate electrode. Also, the writing transistor TRWWord line WL connected to the gate electrode ofWAnd reading transistor TRRWord line WL connected to the gate electrode ofRAre connected to a word line decoder / driver WD. On the other hand, each plate line PLmAre connected to a plate line decoder / driver PD. Further, the bit line BL is connected to the sense amplifier SA.
[0122]
Memory cell MC of this nonvolatile memory1When reading data from the selected plate line PL1VccIs applied. At this time, the selected memory cell MC1If data “1” is stored in the ferroelectric layer, polarization inversion occurs in the ferroelectric layer, the amount of stored charge increases, and the potential of the common node CN increases. On the other hand, the selected memory cell MC1If data “0” is stored in the ferroelectric layer, polarization inversion does not occur in the ferroelectric layer, and the potential of the common node CN hardly increases. That is, the common node CN is connected to a plurality of unselected plate lines PL via the ferroelectric layers of the unselected memory cells.kTherefore, the potential of the common node CN is kept at a level relatively close to 0 volts. In this way, the selected memory cell MC1The potential of the common node CN changes depending on the data stored in the memory. Therefore, an electric field sufficient for polarization inversion can be applied to the ferroelectric layer of the selected memory cell. Then, the bit line BL is brought into a floating state, and the reading transistor TRRIs turned on. On the other hand, the selected memory cell MC1Transistor TR for detection based on the potential generated at the common first electrode (common node CN) based on the data stored inSIs controlled. Specifically, the selected memory cell MC1If a high potential is generated at the common first electrode (common node CN) based on the data stored in the detection transistor TR,SBecomes conductive, and the detection transistor TRSOne source / drain region of the transistor has a predetermined potential VccIs connected to the wiring having the detection transistor TR.SAnd reading transistor TRRA current flows through the bit line BL through the bit line, and the potential of the bit line BL rises. That is, the potential change of the common first electrode (common node CN) is detected by the signal detection circuit, and the detection result is transmitted to the bit line BL as a voltage (potential). Here, the detection transistor TRSThreshold of Vth, Detection transistor TRSThe potential of the gate electrode (that is, the potential of the common node CN) is VgThen, the potential of the bit line BL is approximately (Vg-Vth) The detection transistor TRSIs a depletion type NMOSFET, the threshold VthTakes a negative value. Thereby, a stable sense signal amount can be ensured regardless of the load of the bit line BL. The detection transistor TRSCan also be constructed from PMOSFETs.
[0123]
The predetermined potential of the wiring to which one end of the detection transistor is connected is VccFor example, it may be grounded. That is, the predetermined potential of the wiring to which one end of the detection transistor is connected may be 0 volts. However, in this case, the potential (Vcc) Appears on the bit line, the potential of the bit line is set to 0 volt at the time of rewriting, and when 0 volt appears on the bit line at the time of reading data in the selected memory cell, the potential of the bit line is set to V at the time of rewriting.ccIt is necessary to. For this purpose, a transistor TR as illustrated in FIG.IV-1, TRIV-2, TRIV-3, TRIV-4A kind of switch circuit (inversion circuit) composed of the above is arranged between the bit lines, and when reading data, the transistor TRIV-2, TRIV-4Is turned on, and the transistor TRIV-1, TRIV-3Can be turned on.
[0124]
Further, for example, as shown in FIG. 23, as a modification of the nonvolatile memory of the second embodiment, the first electrodes 21 ′ and 31 ′ are the upper electrodes and the second electrodes 24 ′ and 34 ′ are the lower electrodes. It can also be. Such a structure can also be applied to the nonvolatile memory in other embodiments. In FIG. 23, reference numerals 22 'and 32' indicate the first conductor layer, and reference numerals 25 'and 35' indicate the second conductor layer.
[0125]
【The invention's effect】
In the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory or semiconductor device of the present invention, the top surface of the connection hole is formed with the first conductor layer formed simultaneously with the first electrode and the second electrode formed simultaneously with the second electrode. Since it is covered with the laminated structure of the two conductor layers, it is possible to reliably prevent the top surface of the connection hole from being damaged when the second electrode is formed. Furthermore, since the connection hole is formed in each of the interlayer insulating layers, the connection hole can be reliably formed without increasing the aspect ratio of the connection hole to the left. Further, when the first electrode or the like has a so-called damascene structure, since the first conductor layer is formed, the processing accuracy in the CMP method can be improved. In the semiconductor device according to the present invention, since the wiring constituting the peripheral circuit is composed of at least the second conductor layer formed simultaneously with the second electrode, the number of wiring layers in the peripheral circuit is reduced. Can be made. In addition, since a kind of connection pad portion is formed on the top surface of the connection hole by the laminated structure of the first conductor layer and the second conductor layer, the area of the connection region in the peripheral circuit can be reduced. it can. Moreover, in the semiconductor device of the present invention, the wiring formation process can be simplified as compared with the conventional technique, and the chip area can be reduced, resulting in a reduction in the manufacturing cost of the semiconductor device. Can be achieved.
[Brief description of the drawings]
1 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device including a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a first embodiment of the present invention, cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which bit lines extend;
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor device including the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the word lines extend.
FIG. 3 is a conceptual circuit diagram of a nonvolatile memory according to a second aspect of the present invention.
4 is a more specific circuit diagram of the conceptual circuit diagram shown in FIG.
FIG. 5 is a more specific circuit diagram of the conceptual circuit diagram shown in FIG.
6 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor substrate and the like for illustrating the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the invention. FIG.
7 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, following FIG. 6;
FIG. 8 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for explaining the method for manufacturing the semiconductor device of the first embodiment of the invention, following FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device including a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a second embodiment of the present invention, taken along a virtual vertical plane parallel to the direction in which bit lines extend.
FIG. 10 is a conceptual circuit diagram of a nonvolatile memory according to a third aspect of the present invention.
11 is a more specific circuit diagram of the conceptual circuit diagram shown in FIG.
12 is a more specific circuit diagram of the conceptual circuit diagram shown in FIG.
13 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device including a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to a third embodiment of the present invention cut along a virtual vertical plane parallel to the direction in which the bit lines extend. FIG.
FIG. 14 is a conceptual circuit diagram of a nonvolatile memory according to a fourth aspect of the present invention.
15 is a more specific circuit diagram of the conceptual circuit diagram shown in FIG.
FIG. 16 is a schematic partial cross-sectional view showing a modification of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory described in the second embodiment of the present invention.
17 is a circuit diagram of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory shown in FIG. 16. FIG.
FIG. 18 is a circuit diagram of a gain cell type ferroelectric nonvolatile semiconductor memory.
FIG. 19 is a layout diagram of the ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory shown in FIG. 18;
20 is a schematic partial cross-sectional view of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory shown in FIG.
21 is a schematic partial cross-sectional view of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory shown in FIG. 18 as seen in a cross section different from that of FIG. 20;
FIG. 22 is a circuit diagram showing a kind of switch circuit arranged between bit lines when a predetermined potential of a wiring to which one end of a detection transistor is connected is 0 volt.
FIG. 23 is a schematic partial cross-sectional view of another modification of the ferroelectric nonvolatile semiconductor memory according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a PE hysteresis loop diagram of a ferroelectric.
FIG. 25 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory disclosed in US Pat. No. 4,873,664.
FIG. 26 is a circuit diagram of a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-121032.
FIG. 27 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor device assuming a case where memory units composed of a plurality of memory cells are stacked in a nonvolatile memory disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-121032.
FIG. 28 is a schematic view of a semiconductor device in which a nonvolatile memory disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-121032 is viewed from an angle different from that in FIG. 27 and a memory unit including a plurality of memory cells is stacked. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Silicon semiconductor substrate, 11 ... Element isolation region, 12, 112, 212 ... Gate electrode, 13, 13A, 13B, 113, 213 ... Source / drain region, 14 ... Contact hole , 16 ... insulating layer, 17, 27, 117, 127, 217, 227 ... connection hole, 21, 21A, 21B, 21 ', 31, 31A, 31B, 31' ... first electrode, 22, 22 ′, 22A, 22B, 32, 32 ′, 32A, 32B, 122, 132... First conductor layer, 23, 23A, 23B, 23 ′, 33, 33A, 33B, 33 ′. Ferroelectric layer, 24, 34 ... second electrode, 25, 25 ', 35, 35' 125, 135 ... second conductor layer, 26 ... interlayer insulating layer, 36A, 46A ... Insulating film, TR ... Selectable tiger Register, TRW... Write transistors, TRR... Reading transistors, TRS... Detection transistors, TRSW... Switching transistor, WL ... Word line, BL ... Bit line, PL ... Plate line, WD ... Word line decoder / driver, SA ... Sense amplifier, PD ... Plate line decoder / driver, CN ... Common node

Claims (6)

トランジスタが形成された半導体基板の上に設けられた絶縁層上に、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成るメモリセルが、(N−1)層の層間絶縁層(但し、N≧2)を介して、N層、積層された構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
該トランジスタのソース/ドレイン領域及び/又はゲート電極の上の絶縁層、及び、絶縁層と層間絶縁層には、接続孔が形成され、
第1層目のメモリセルを構成する第1の電極は、第1層目の第1の導電材料層から構成されており、
第1層目のメモリセルを構成する第2の電極は、第1層目の第2の導電材料層から構成されており、
絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第(k+1)層目(但し、k=1,2・・・,N−1)のメモリセルを構成する第1の電極は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から構成されており、
第(k+1)層目のメモリセルを構成する第2の電極は、第(k+1)層目の第2の導電材料層から構成されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第(k+1)層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されている強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
A memory cell including a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode is formed on an insulating layer provided on a semiconductor substrate on which a transistor is formed. However, it is a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having a structure in which N layers are stacked through N ≧ 2),
A connection hole is formed in the insulating layer on the source / drain region and / or the gate electrode of the transistor, and in the insulating layer and the interlayer insulating layer.
The first electrode constituting the first-layer memory cell is composed of the first conductive material layer of the first layer,
The second electrode constituting the memory cell of the first layer is composed of the second conductive material layer of the first layer,
The top surface of the connection hole formed in the insulating layer is covered with a laminated structure of a first conductor layer made of the first conductive material layer and a second conductor layer made of the second conductive material layer. and,
The first electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer (where k = 1, 2,..., N−1) is composed of the first conductive material layer of the (k + 1) th layer. And
The second electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer is composed of the second conductive material layer of the (k + 1) th layer,
The top surface of the connection hole formed in the kth interlayer insulating layer has a first conductor layer made of the (k + 1) th first conductive material layer, and a (k + 1) th layer A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory covered with a laminated structure of second conductive layers made of a second conductive material layer .
(A)ビット線と、
(B)選択用トランジスタと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個(但し、N≧2)のメモリユニットと、
(D)M×N本のプレート線、
から成り、
第1層目のメモリユニットは、絶縁層を介して選択用トランジスタの上方に形成されており、
N個のメモリユニットは、(N−1)層の層間絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、第[(n−1)M+m]番目のプレート線に接続されており、
選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域はビット線に接続され、
選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、更に、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれを介して、第(k+1)層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極は、第1層目の第1の導電材料層から構成されており、
第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極は、第1層目の第2の導電材料層から構成されており、
絶縁層に形成された第1層目の接続孔の頂面は、第1層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第1層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から構成されており、
第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極は、第(k+1)層目の第2の導電材料層から構成されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された第(k+1)層目の接続孔の頂面は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第(k+1)層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されている強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
(A) a bit line;
(B) a selection transistor;
(C) N (where N ≧ 2) memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M × N plate wires,
Consisting of
The memory unit of the first layer is formed above the selection transistor via the insulating layer,
N memory units are stacked via (N-1) interlayer insulating layers,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit, the first electrode of the memory cell is common,
In the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., N), the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is Connected to the [(n-1) M + m] th plate line,
One source / drain region of the selection transistor is connected to the bit line,
The other source / drain region of the selection transistor is connected to a common first electrode in the first-layer memory unit via a first-layer connection hole provided in the insulating layer.
The other source / drain region of the selection transistor further includes a first-layer connection hole provided in the insulating layer, and a first-layer interlayer insulating layer to k-th layer (provided that k = 1, 2..., N−1) to the (k + 1) th layer through each of the (k + 1) th connection hole from the second layer connection hole provided in each of the interlayer insulating layers. A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory connected to a common first electrode in a memory unit,
The first electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit is composed of the first conductive material layer of the first layer,
The second electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit is composed of the second conductive material layer of the first layer,
The top surface of the first layer connection hole formed in the insulating layer has a first conductor layer made of the first conductive material layer of the first layer and a second conductive material of the first layer. Covered by a laminated structure of second conductor layers consisting of layers ,
The first electrode constituting the memory cell of the memory unit of the (k + 1) th layer is composed of the first conductive material layer of the (k + 1) th layer,
The second electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer memory unit is composed of the (k + 1) th layer of the second conductive material layer,
The top surface of the (k + 1) th connection hole formed in the kth interlayer insulating layer has a first conductor layer made of the (k + 1) th first conductive material layer, and (k + 1) th layer th second strength is covered by a laminated structure of the second conductive layer made of a conductive material layer a dielectric-type nonvolatile semiconductor memory.
(A)ビット線と、
(B)N個(但し、N≧2)の選択用トランジスタと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
第1層目のメモリユニットは、絶縁層を介して選択用トランジスタの上方に形成されており、
N個のメモリユニットは、(N−1)層の層間絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、メモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
各選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域はビット線に接続され、
第1番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
第(k+1)番目(但し、k=1,2・・・,N−1)の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれを介して、第(k+1)層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極は、第1層目の第1の導電材料層から構成されており、
第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極は、第1層目の第2の導電材料層から構成されており、
絶縁層に形成された第1層目の接続孔の頂面は、第1層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第1層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から構成されており、
第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極は、第(k+1)層目の第2の導電材料層から構成されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された第(k+1)層目の接続孔の頂面は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第(k+1)層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されている強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
(A) a bit line;
(B) N (where N ≧ 2) selection transistors;
(C) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate wires,
Consisting of
The memory unit of the first layer is formed above the selection transistor via the insulating layer,
N memory units are stacked via (N-1) interlayer insulating layers,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit, the first electrode of the memory cell is common,
In the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., N), the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is It is connected to the mth plate line that is shared between memory units,
One source / drain region of each selection transistor is connected to the bit line,
The other source / drain region of the first selection transistor is connected to a common first electrode in the memory unit of the first layer via a connection hole of the first layer provided in the insulating layer. ,
The other source / drain region of the (k + 1) -th (k = 1, 2,..., N−1) selection transistor has a first layer connection hole provided in the insulating layer, and The (k + 1) th through the (k + 1) th connection hole from the second layer connection hole provided in each of the interlayer insulation layers from the first interlayer insulation layer to the kth layer. A ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory connected to a common first electrode in the memory unit of the layer;
The first electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit is composed of the first conductive material layer of the first layer,
The second electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit is composed of the second conductive material layer of the first layer,
The top surface of the first layer connection hole formed in the insulating layer has a first conductor layer made of the first conductive material layer of the first layer and a second conductive material of the first layer. Covered by a laminated structure of second conductor layers consisting of layers ,
The first electrode constituting the memory cell of the memory unit of the (k + 1) th layer is composed of the first conductive material layer of the (k + 1) th layer,
The second electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer memory unit is composed of the (k + 1) th layer of the second conductive material layer,
The top surface of the (k + 1) th connection hole formed in the kth interlayer insulating layer has a first conductor layer made of the (k + 1) th first conductive material layer, and (k + 1) th layer th second strength is covered by a laminated structure of the second conductive layer made of a conductive material layer a dielectric-type nonvolatile semiconductor memory.
(A)N本(但し、N≧2)ビット線と、
(B)N個の選択用トランジスタと、
(C)それぞれがM個(但し、M≧2)のメモリセルから構成された、N個のメモリユニットと、
(D)M本のプレート線、
から成り、
第1層目のメモリユニットは、絶縁層を介して選択用トランジスタの上方に形成されており、
N個のメモリユニットは、(N−1)層の層間絶縁層を介して積層されており、
各メモリセルは、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成り、
各メモリユニットにおいて、メモリセルの第1の電極は共通であり、
第n層目(但し、n=1,2・・・,N)のメモリユニットにおいて、第m番目(但し、m=1,2・・・,M)のメモリセルの第2の電極は、メモリユニット間で共通とされた第m番目のプレート線に接続されており、
第n番目の選択用トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は第n番目のビット線に接続され、
第1番目の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔を介して、第1層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続され、
第(k+1)番目(但し、k=1,2・・・,N−1)の選択用トランジスタの他方のソース/ドレイン領域は、絶縁層に設けられた第1層目の接続孔、及び、第1層目の層間絶縁層から第k層目までの層間絶縁層のそれぞれに設けられた第2層目の接続孔から第(k+1)層目の接続孔のそれぞれを介して、第(k+1)層目のメモリユニットにおける共通の第1の電極に接続されている強誘電体型不揮発性半導体メモリであって、
第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極は、第1層目の第1の導電材料層から構成されており、
第1層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極は、第1層目の第2の導電材料層から構成されており、
絶縁層に形成された第1層目の接続孔の頂面は、第1層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第1層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第1の電極は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から構成されており、
第(k+1)層目のメモリユニットのメモリセルを構成する第2の電極は、第(k+1)層目の第2の導電材料層から構成されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された第(k+1)層目の接続孔の頂面は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第(k+1)層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されている強誘電体型不揮発性半導体メモリ。
(A) N (where N ≧ 2) bit lines;
(B) N selection transistors;
(C) N memory units each composed of M (where M ≧ 2) memory cells;
(D) M plate wires,
Consisting of
The memory unit of the first layer is formed above the selection transistor via the insulating layer,
N memory units are stacked via (N-1) interlayer insulating layers,
Each memory cell includes a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode,
In each memory unit, the first electrode of the memory cell is common,
In the memory unit of the nth layer (where n = 1, 2,..., N), the second electrode of the mth memory cell (where m = 1, 2,..., M) is It is connected to the mth plate line that is shared between memory units,
One source / drain region of the nth selection transistor is connected to the nth bit line,
The other source / drain region of the first selection transistor is connected to a common first electrode in the memory unit of the first layer via a connection hole of the first layer provided in the insulating layer. ,
The other source / drain region of the (k + 1) -th (k = 1, 2,..., N−1) selection transistor has a first layer connection hole provided in the insulating layer, and The (k + 1) th through the (k + 1) th connection hole from the second layer connection hole provided in each of the interlayer insulation layers from the first interlayer insulation layer to the kth layer. A ferroelectric-type nonvolatile semiconductor memory connected to a common first electrode in the memory unit of the layer;
The first electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit is composed of the first conductive material layer of the first layer,
The second electrode constituting the memory cell of the first layer memory unit is composed of the second conductive material layer of the first layer,
The top surface of the first layer connection hole formed in the insulating layer has a first conductor layer made of the first conductive material layer of the first layer and a second conductive material of the first layer. Covered by a laminated structure of second conductor layers consisting of layers ,
The first electrode constituting the memory cell of the memory unit of the (k + 1) th layer is composed of the first conductive material layer of the (k + 1) th layer,
The second electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer memory unit is composed of the (k + 1) th layer of the second conductive material layer,
The top surface of the (k + 1) th connection hole formed in the kth interlayer insulating layer has a first conductor layer made of the (k + 1) th first conductive material layer, and (k + 1) th layer th second strength is covered by a laminated structure of the second conductive layer made of a conductive material layer a dielectric-type nonvolatile semiconductor memory.
(a)選択用トランジスタが形成された半導体基板の上に設けられた絶縁層上に、第1の電極と強誘電体層と第2の電極とから成るメモリセルが、(N−1)層の層間絶縁層(但し、N≧2)を介して、N層、積層された構造を有する強誘電体型不揮発性半導体メモリと、
(b)強誘電体型不揮発性半導体メモリを駆動するための周辺回路、
から構成された半導体装置であって、
周辺回路は、半導体基板に形成されたトランジスタと、絶縁層上及び層間絶縁層上に形成された配線と、トランジスタと配線とを接続する接続孔から構成され、
接続孔は、該トランジスタのソース/ドレイン領域及び/又はゲート電極の上の絶縁層、及び、絶縁層と層間絶縁層に形成され、
第1層目のメモリセルを構成する第1の電極は、第1層目の第1の導電材料層から構成されており、
第1層目のメモリセルを構成する第2の電極は、第1層目の第2の導電材料層から構成されており、
絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
絶縁層上に形成された配線は、少なくとも、第1層目の第2の導電材料層から成り、
第(k+1)層目(但し、k=1,2・・・,N−1)のメモリセルを構成する第1の電極は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から構成されており、
第(k+1)層目のメモリセルを構成する第2の電極は、第(k+1)層目の第2の導電材料層から構成されており、
第k層目の層間絶縁層に形成された接続孔の頂面は、第(k+1)層目の第1の導電材料層から成る第1の導電体層、及び、第(k+1)層目の第2の導電材料層から成る第2の導電体層の積層構造によって被覆されており、
第k層目の層間絶縁層上に形成された配線は、少なくとも、第(k+1)層目の第2の導電材料層から成る半導体装置。
(A) A memory cell including a first electrode, a ferroelectric layer, and a second electrode is formed on an insulating layer provided on a semiconductor substrate on which a selection transistor is formed. A ferroelectric nonvolatile semiconductor memory having a structure in which N layers are stacked through an interlayer insulating layer (where N ≧ 2),
(B) a peripheral circuit for driving a ferroelectric nonvolatile semiconductor memory;
A semiconductor device comprising:
The peripheral circuit includes a transistor formed on the semiconductor substrate, wiring formed on the insulating layer and the interlayer insulating layer, and a connection hole connecting the transistor and the wiring.
The connection hole is formed in the insulating layer on the source / drain region and / or the gate electrode of the transistor, and in the insulating layer and the interlayer insulating layer,
The first electrode constituting the first-layer memory cell is composed of the first conductive material layer of the first layer,
The second electrode constituting the memory cell of the first layer is composed of the second conductive material layer of the first layer,
The top surface of the connection hole formed in the insulating layer is covered with a laminated structure of a first conductor layer made of the first conductive material layer and a second conductor layer made of the second conductive material layer. and,
The wiring formed on the insulating layer includes at least a second conductive material layer of the first layer ,
The first electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer (where k = 1, 2,..., N−1) is composed of the first conductive material layer of the (k + 1) th layer. And
The second electrode constituting the memory cell of the (k + 1) th layer is composed of the second conductive material layer of the (k + 1) th layer,
The top surface of the connection hole formed in the kth interlayer insulating layer has a first conductor layer made of the (k + 1) th first conductive material layer, and a (k + 1) th layer Covered with a laminated structure of second conductor layers made of a second conductive material layer;
Wiring formed in the k-th layer of the interlayer insulating layer includes at least a first (k + 1) th layer semiconductor device comprising a second conductive material layer.
絶縁層上に形成された配線は、第1層目の第1の導電材料層、及び、第1層目の第2の導電材料層の積層構造から成り、
第k層目(但し、k=1,2・・・,N−1)の層間絶縁層上に形成された配線は、第(k+1)層目の第1の導電材料層、及び、第(k+1)層目の第2の導電材料層の積層構造から成ることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
The wiring formed on the insulating layer has a stacked structure of a first conductive material layer of the first layer and a second conductive material layer of the first layer ,
The wirings formed on the k-th layer (where k = 1, 2,..., N−1) interlayer insulating layers include the (k + 1) th first conductive material layer and the ( 6. The semiconductor device according to claim 5 , comprising a stacked structure of a second conductive material layer of ( k + 1) th layer .
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