JP5440803B2 - Mfms型電界効果トランジスタ及び強誘電体メモリ装置並びにこれらの製造方法 - Google Patents

Mfms型電界効果トランジスタ及び強誘電体メモリ装置並びにこれらの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は構造が簡単であり、データ維持特性に優れたMFMS
(Metal−Ferroelectric−Metal−Substrate)型電界効果トランジスタ及び強誘電体メモリ装置に関する。
近年、強誘電物質を用いてトランジスタまたはメモリ装置を具現しようとする研究が盛んに行われている。図1は強誘電体を用いたMFS(Metal−Ferroelectric−Semiconductor)型メモリ装置の典型的な構造を示した断面図である。
図1において、シリコン基板1の所定領域にはソース及びドレイン領域2、3が形成され、該ソース及びドレイン領域2、3の間のチャネル領域4上には強誘電体膜または強誘電体層5が形成される。この際強誘電体層5としては、例えばPZT(PbZrTi1−x)、SBT(SrBiTa)、BLT((Bi, La)Ti12)などの強誘電特徴を有する無機物が利用される。そして、前記ソース及びドレイン領域2、3と強誘電体層5の上側にはそれぞれ金属材質のソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8が形成される。
前述したような構造よりなる強誘電体メモリは、ゲート電極8を介して印加される電圧によって強誘電層5が分極特性を示し、このような分極特性によってソース領域2及びドレイン領域3の間に導電チャネルが形成され、ソース電極6とドレイン電極7との間に電流が流れるようになる。特に、前述した構造ではゲート電極8を介して印加される電圧を遮断する場合にも強誘電体層5の分極特性が持続的に維持される。従って、前述したような構造は別のキャパシタを備えなくても、ただ一つのトランジスタで不揮発性メモリを構成できる構造として注目されている。
しかし、前述した構造よりなる強誘電体メモリにおいては、次のような問題点がある。すなわち、シリコン基板1上に強誘電体層5を直接に形成すれば、強誘電体層5の形成時に強誘電体層5とシリコン基板1との境界面に低品質の遷移層が形成され、強誘電体層5中のPb、Biのような元素がシリコン基板1中に拡散されることによって高品質の強誘電体層を形成し難くなる。従って、強誘電体層5の分極特性、言い換えれば強誘電体メモリのデータ維持時間が極めて短縮する問題点が発生する。
従って、前述した問題点を考慮して、最近は図2に示したように、シリコン基板1と強誘電体層5との間に主に酸化物よりなるバッファ層20を形成する、いわゆるMFIS(Metal−Ferroelectric−Insulator−Semiconductor)構造が提案されたことがある。
しかし、前述したMFIS型強誘電体メモリは強誘電体層5と基板1との間に形成されるバッファ層20がキャパシタとして働くことによって、このバッファ層20による減分極電界(depolarization field)によって強誘電体層5の分極特性が劣化してデータ維持特性が低下する問題点がある。
すなわち、図3はMFIS構造において、ゲート電極8に印加されるゲート電圧を遮断した状態における等価回路を示した回路図である。図3において、キャパシタC1は強誘電体層5、キャパシタC2はバッファ層20に対応するものである。一般的に誘電物質よりなる誘電体層の場合は外部から印加される電圧が遮断されれば、内部電位が“0“と設定される。ところが、強誘電物質の場合はその自発分極によって外部電圧が遮断される場合にも一定した分極値Qを有するようになる。すなわち、図3の等価回路において、強誘電体層5に対応するキャパシタC1にはQに相当する分極値が存在する。
従って、直列接続のキャパシタC1、C2を含む閉ループにおいて、キャパシタC2にはキャパシタC1の分極値Qを相殺させて閉ループを全体として“0“電位にするための逆分極電界が形成される。そして、このような逆分極電界はキャパシタC1による分極電界と反対方向になるため、キャパシタC1の分極値Qが持続的に劣化する現象が発生する。
図2に示したMFIS型強誘電体メモリにおいては、前述したように、バッファ層20による減分極電界によって強誘電体層5の分極特性が劣化してデータ維持特性が低下されることによって、現在実験水準で作られた優れた結果物の場合にもデータ維持時間が30日を越えない実情である。
本発明は前述した事情に鑑みて案出されたもので、その目的は構造が簡単であり、データ維持特性に優れた電界効果トランジスタ及び強誘電体メモリ装置並びにこれらの製造方法を提供するところにある。
前述した目的を達成するための本発明の第1観点によるMFMS型強誘電体メモリ装置は、ソース及びドレイン領域とその間にチャネル領域が形成される基板と、該基板のチャネル領域の上側に形成されるバッファ層と、該バッファ層上に形成される強誘電体層、及び前記強誘電体層上に形成されるゲート電極を備えて構成され、前記バッファ層が導電性材質で構成され、前記強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように形成されたことを特徴とする。
また、本発明の第2の観点によるMFMS型電界効果トランジスタは、ソース及びドレイン領域とその間にチャネル領域が形成される基板と、該基板のチャネル領域の上側に形成されるバッファ層と、該バッファ層上に形成される強誘電体層、及び前記強誘電体層上に形成されるゲート電極を備えて構成され、前記バッファ層が導電性材質で構成され、前記強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように形成されたことを特徴とする。
前記導電性材質が金属を含むことを特徴とする。
前記導電性材質が伝導性金属酸化物と伝導性金属酸化物の合金または化合物のうち一つを含むことを特徴とする。
前記導電性材質が伝導性有機物を含むことを特徴とする。
前記導電性材質がシリサイドを含むことを特徴とする。
前記バッファ層が多層構造で構成されることを特徴とする。
前記強誘電体層が酸化物強誘電体、高分子強誘電体、フッ化物強誘電体、強誘電体半導体またはこれら強誘電体の固形体のうち少なくとも一つを含んで構成されることを特徴とする。
前記バッファ層がTiNであり、前記強誘電体層がBLTを含んで構成されることを特徴とする。
前記ソース及びドレイン領域と前記バッファ層を遮蔽させるための絶縁層をさらに含んで構成されることを特徴とする。
前記絶縁層が強誘電物質を含んで構成されることを特徴とする。
また、本発明の第3の観点によるMFMS型強誘電体メモリ装置の製造方法は、強誘電体メモリ装置を製造する方法において、基板にソース、ドレイン及びチャネル領域を形成する段階と、前記基板上のチャネル領域に対応する部分に導電性材質で構成されるバッファ層を形成する段階と、前記バッファ層の上側に強誘電体層を形成する段階、及び前記強誘電体層の上側にゲート電極を形成する段階と、を含んで構成され、前記強誘電体層の形成段階は強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように強誘電体層を形成することを特徴とする。
また、本発明の第4の観点によるMFMS型電界効果トランジスタの製造方法は、電界効果トランジスタを製造する方法において、基板にソース、ドレイン及びチャネル領域を形成する段階と、前記基板上のチャネル領域に対応する部分に導電性材質で構成されるバッファ層を形成する段階と、前記バッファ層の上側に強誘電体層を形成する段階、及び前記強誘電体層の上側にゲート電極を形成する段階と、を含んで構成され、前記強誘電体層の形成段階は強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように強誘電体層を形成することを特徴とする。
前記ソース及びドレイン領域と前記バッファ層を遮蔽させるための絶縁層を形成する段階をさらに含んで構成されることを特徴とする。
以上述べたように本発明によれば、構造が簡単であり、データ維持特性に優れ、1T構造で不揮発性メモリセルを構成できる強誘電体メモリ装置を具現することができる。
従来のMFS(Metal−Ferroelectric−Semiconductor)型強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。 従来のMFIS(Metal−Ferroelectric−Insulator−Semiconductor)型強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。 図2に示した従来の構造の問題点を説明するための図である。 本発明の第1の実施形態によるMFMS(Metal−Ferroelectric−Metal−Substrate)構造を有する電界効果トランジスタと強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。 本発明に係るMFMS構造体の強誘電特性を示した特性グラフである。 本発明の第2の実施形態によるMFMS構造を有する電界効果トランジスタと強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。 本発明の第3の実施形態によるMFMS構造を有する電界効果トランジスタと強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。 本発明に係る電界効果トランジスタ及び強誘電体メモリ装置の製造工程を説明するための工程図である。
以下、添付した図面に基づき本発明に係る実施形態を詳述する。但し、以下で説明する実施形態は本発明の一つの望ましい具現例を示したものであって、本実施形態の例示は本発明の権利範囲を制限するためのものではない。
図4は本発明の第1の実施形態による電界効果トランジスタまたは強誘電体メモリ装置を示した断面図である。
本発明に係る強誘電体メモリ装置は、従来の MFS構造やMFIS構造とは違って、 MFMS構造を有する。
図4において、シリコン基板1の所定領域にはソース及びドレイン領域2、3が形成され、該ソース及びドレイン領域2、3の間のチャネル領域4上には導電性材質よりなるバッファ層30が形成される。
この際、バッファ層30を構成する材質としては、例えば金、銀、アルミニウム、プラチナ、白金などの金属や、RuO、RuO/TiN、SrRuO、YBCO、Pt/TiO、Pt/IrO、IrOX、TiN、ITO、SrTiOなどの伝導性金属酸化物、これら金属または金属酸化物の合金または化合物、伝導性有機物、伝導性重合体を基材とする、例えばポリアニリン、ポリ(3, 4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)などの混合物や化合物、TaSi、TiSi、WSi、NiWSi、PtSi、CoSi、ErSiなどのシリサイド、またはこれら材質の化合物または混合物などが用いられる。
前記バッファ層30としては、前述した導電性材質よりなる導電層の多層構造よりなりうる。
前記バッファ層30上には強誘電体層31が形成される。この強誘電体層31を構成する材質としては、強誘電特徴を有する酸化物強誘電体、高分子強誘電体、BMF(BaMgF)などのフッ化物強誘電体、強誘電体半導体などを使用することができる。
酸化物強誘電体としては、例えばPZT(PbZrTi1−x)、BaTiO, PbTiOなどのペロブスカイト(Perovskite)強誘電体、LiNbO、LiTaOなどの擬似イルミナイト(Pseudo−ilmenite)強誘電体、PbNb, BaNaNb15などのタングステン−青銅(TB)強誘電体、SBT(SrBiTa)、BLT((Bi,La)Ti12)、BiTi12などのビスムス層構造の強誘電体及びLaTiなどのパイロクロア(Pyrochlore)強誘電体とこれら強誘電体の固溶体を始め、Y、Er、Ho、Tm、Yb、Luなどの希土類元素(R)を含むRMnOとPGO(PbGe11)、BFO(BiFeO)などが用いられる。
また、前記高分子強誘電体としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)や、該PVDFを含む重合体、共重合体、または三元共重合体が用いられ、その他奇数のナイロン、シアノ重合体及びこれらの重合体や共重合体などが利用可能である。また、好ましくは前記強誘電体層31としてはβ状の結晶構造を有するPVDFが用いられる。
前記強誘電体半導体としては、CdZnTe、CdZnS、CdZnSe、CdMnS、CdFeS、CdMnSe及びCdFeSeなどの2−6族化合物が用いられる。
前記強誘電体層31を構成する材質としては、強誘電物質の混合物を使用することができる。これら混合物としては、例えば強誘電無機物と強誘電有機物との混合物、強誘電無機物と有機物との混合物、または強誘電無機物と金属との混合物を使用することができる。
次いで、前記強誘電体層31上には強誘電体層31を分極化させるための電極層として、ゲート電極32が形成される。このゲート電極32は、例えば金、銀、アルミニウム、プラチナ、インジウム錫酸化物(ITO)、チタン酸ストロンチウム (SrTiO)や、その他の伝導性金属酸化物とこれらの合金及び化合物、または伝導性重合体を基材とする、例えばポリアニリン、ポリ(3, 4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリスチレンスルホネート(PEDOT:PSS)などの混合物や化合物または多層物などを含む全ての導電性金属及び金属酸化物と導電性有機物が用いられる。
前述した構造においては、図1及び図2に示した従来の強誘電体メモリ装置と同じく、ゲート電極32を通じて所定の電圧を印加する方法で強誘電体層31に分極を形成するようになる。
図5は図4においてバッファ層30としてTiNを80nm形成し、強誘電体層31としてBLT((Bi,La)Ti12)を300nm形成した後、ゲート電圧による強誘電体層31の容量値変動を測定した特性グラフである。
図5から分るように、図4の構造においてはゲート電圧の変動によって強誘電体層31の容量値がヒステリシス的な変動特性を示す。
そして、このように強誘電体層31に分極が形成されれば、その分極特性によってソース領域2とドレイン領域3との間のチャネル領域4にチャネルが形成されるか、あるいは形成されなくなる。そして、このようなチャネルを形成するか否かによってソース領域2及びドレイン領域3の間に電流の流れが形成されるか、遮断されるトランジスタとして働くようになる。
前述したトランジスタを用いて、メモリセルまたはメモリセルアレイを構成する場合は、ドレイン電極7に一定電圧を印加すると共に、ソース電極6を接地させた状態でトランジスタが導通状態であるか非導通状態であるかに基づき、該当メモリセルに保存されているデータが“1“なのか“0“であるかを判定するようになる。
従って、前述した構造においては1T(one−transistor)構造で1つのメモリセルを構成できるようになる。
前述した構造においては、強誘電体層31とシリコン基板1が直接に接触されず、バッファ層30を通じて結合するようになる。従って、強誘電体層31の形成時に強誘電体層31とシリコン基板1との境界面に低品質の遷移層が形成される問題点が発生しなくなる。
また、前記バッファ層30が導電性材質で構成される。従って、図2に示した従来の構造とは違って、誘電体バッファ層20による減分極現象が除去されるので、例えば減分極電界による分極特性の劣化によってデータ維持特性が低下する問題が発生しなくなる。
本発明に係るメモリまたはトランジスタの構造はMFMS構造を維持する範囲内で多様に変形させて具現することが可能である。
図6は本発明の第2の実施形態による電界効果トランジスタまたは強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。
図6の構造においては、図4の実施例と同じく、シリコン基板1の所定領域にはソース及びドレイン領域2、3が形成され、該ソース及びドレイン領域2、3の間のチャネル領域4上には導電性材質よりなるバッファ層30が形成される。
本実施形態においては、前記バッファ層30の両側面、すなわちバッファ層30を取り囲みながら絶縁層60が形成される。この絶縁層60としては、例えばLaZrO、ZrO、SiOなどの絶縁物質が用いられる。絶縁層60は導電性材質で構成されるバッファ層30とソース及びドレイン領域2、3の間に電流通路が形成されることを確実に防止するためのものである。
そして、前記バッファ層30上に強誘電体層31が形成され、この強誘電体層31を全体として被覆しつつゲート電極32が形成される。その他の部分は前述した図4の構成と実質的に同じなので、図4と同じ部分に同じ参照番号を付し、その詳細な説明は省く。
図7は本発明の第3の実施形態による電界効果トランジスタまたは強誘電体メモリ装置の構造を示した断面図である。
図7においては、バッファ層30上に強誘電体層31を形成する際、強誘電体層31がバッファ層30を全体として被覆するように形成することによって、強誘電体層31を用いてバッファ層30とソース及びドレイン領域2、3を遮蔽させられるように構成したものである。そして、その他の部分は前述した図6の構成と実質的に同じなので、図6と同じ部分に同じ参照番号を付し、その詳細な説明は省く。
一方、図8は本発明に係る電界効果トランジスタまたは強誘電体メモリ装置の製造工程を示したものであって、これは特に図6に示した構造を製造するための工程を示した図である。
まず、基板1上にフォトレジスト81を形成し、これをマスクにしてイオン注入を行うことによって基板1にソース及びドレイン領域2、3を形成する(図8(A)〜図8(C))。次いで、前記ソース及びドレイン領域2、3の間のチャネル領域の上側に、例えばスパッタ法や真空蒸着法などを用いて導電性材質のバッファ層30を形成する(図8(D))。
図8(D)の結果構造体の上側に全体としてSiOなどの絶縁物質層82を形成し (図8(E))、これをフォトレジスト83を用いてエッチングした後平坦化させて絶縁層60を形成する(図8(F))。
次いで、前記バッファ層30の上側に、例えばスパッタ法や真空蒸着法などを用いる通常の方法で強誘電体層31を形成する(図8(G))。
図8(G)の結果構造体の上側に全体として絶縁層84を被覆し(図8(H))、マスクを用いてソース及びドレイン領域2、3と強誘電体層31の上側に貫通孔を形成した後(図8(I))、ソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極32を形成して完成するようになる。
以上、本発明に係る実施形態を説明してきた。しかし、前述した実施形態は本発明の一つの好ましい具現例を例示的に示したものであって、本発明は前述した実施形態に限られず、その技術的思想を逸脱しない範囲内で多様に変形させて実施することができる。
例えば、前述した実施形態においては、基板1としてシリコン基板を用いることと説明したが、この基板1としては外部電界によってソース領域2とドレイン領域3との間にチャネルを形成できるいずれの材質及び構造体を採用できる。
本発明は1T構造で不揮発性メモリセルを構成できる強誘電体メモリ装置に適用可能である。
1 シリコン基板
2,3 ドレイン領域
4 チャネル領域
5 強誘電体層
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
30 バッファ層
31 強誘電体層
32 ゲート電極

Claims (17)

  1. ソース及びドレイン領域とその間にチャネル領域が形成される基板と、
    前記基板のチャネル領域の上側に形成されるバッファ層と、
    前記バッファ層上に形成される強誘電体層と、
    前記強誘電体層上に形成されるゲート電極と、を備え、
    前記バッファ層が導電性材質で構成され
    前記強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように形成されたことを特徴とするMFMS型強誘電体メモリ装置。
  2. 前記導電性材質が金属を含むことを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  3. 前記導電性材質が伝導性金属酸化物と伝導性金属酸化物の合金または化合物のうち一つを含むことを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  4. 前記導電性材質が伝導性有機物を含むことを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  5. 前記導電性材質がシリサイドを含むことを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  6. 前記バッファ層が多層構造で構成されることを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  7. 前記強誘電体層が酸化物強誘電体、高分子強誘電体、フッ化物強誘電体、強誘電体半導体またはこれら強誘電体の固形体のうち少なくとも一つを含んで構成されることを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  8. 前記バッファ層がTiNであり、前記強誘電体層がBLTを含んで構成されることを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  9. 前記ソース及びドレイン領域と前記バッファ層を遮蔽させるための絶縁層をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項1に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置。
  10. ソース及びドレイン領域とその間にチャネル領域が形成される基板と、
    前記基板のチャネル領域の上側に形成されるバッファ層と、
    前記バッファ層上に形成される強誘電体層と、
    前記強誘電体層上に形成されるゲート電極を備えて構成され、
    前記バッファ層が導電性材質で構成され
    前記強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように形成されたことを特徴とするMFMS型電界効果トランジスタ。
  11. 前記バッファ層が多層構造で構成されることを特徴とする請求項10に記載のMFMS型電界効果トランジスタ。
  12. 前記ソース及びドレイン領域と前記バッファ層を遮蔽させるための絶縁層をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項10に記載のMFMS型電界効果トランジスタ。
  13. 前記バッファ層がTiNであり、前記強誘電体層がBLTを含んで構成されることを特徴とする請求項10に記載のMFMS型電界効果トランジスタ。
  14. 強誘電体メモリ装置を製造する方法において、
    基板にソース、ドレイン及びチャネル領域を形成する段階と、
    前記基板上のチャネル領域に対応する部分に導電性材質で構成されるバッファ層を形成する段階と、
    前記バッファ層の上側に強誘電体層を形成する段階と、
    前記強誘電体層の上側にゲート電極を形成する段階とを含んで構成され
    前記強誘電体層の形成段階は強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように強誘電体層を形成することを特徴とするMFMS型強誘電体メモリ装置の製造方法。
  15. 前記ソース及びドレイン領域と前記バッファ層を遮蔽させるための絶縁層を形成する段階をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項14に記載のMFMS型強誘電体メモリ装置の製造方法。
  16. 電界効果トランジスタを製造する方法において、
    基板にソース、ドレイン及びチャネル領域を形成する段階と、
    前記基板上のチャネル領域に対応する部分に導電性材質で構成されるバッファ層を形成する段階と、
    前記バッファ層の上側に強誘電体層を形成する段階と、
    前記強誘電体層の上側にゲート電極を形成する段階と、を含んで構成され
    前記強誘電体層の形成段階は強誘電体層がバッファ層を全体として被覆するように強誘電体層を形成することを特徴とするMFMS型電界効果トランジスタの製造方法。
  17. 前記ソース及びドレイン領域と前記バッファ層を遮蔽させるための絶縁層を形成する段階をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項16に記載のMFMS型電界効果トランジスタの製造方法。
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