JPH0778943A - 不揮発性メモリ - Google Patents
不揮発性メモリInfo
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- JPH0778943A JPH0778943A JP5221297A JP22129793A JPH0778943A JP H0778943 A JPH0778943 A JP H0778943A JP 5221297 A JP5221297 A JP 5221297A JP 22129793 A JP22129793 A JP 22129793A JP H0778943 A JPH0778943 A JP H0778943A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
Landscapes
- Non-Volatile Memory (AREA)
- Dram (AREA)
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 アクセス回数に制限がない強誘電体不揮発性
メモリを得る。 【構成】 DRAM型強誘電体不揮発性メモリの強誘電
体としてPb5Ge3O11薄膜を用いる。Pb5Ge3O11
薄膜の結晶軸は膜厚方向に一軸配向することができるた
め読み出し書き込み時における分極反転時に強誘電体膜
中に機械的ストレスが生じることなく、この機械的スト
レスにより膜中の結晶構成が変化することがない。
メモリを得る。 【構成】 DRAM型強誘電体不揮発性メモリの強誘電
体としてPb5Ge3O11薄膜を用いる。Pb5Ge3O11
薄膜の結晶軸は膜厚方向に一軸配向することができるた
め読み出し書き込み時における分極反転時に強誘電体膜
中に機械的ストレスが生じることなく、この機械的スト
レスにより膜中の結晶構成が変化することがない。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はメモリ、特に電荷蓄積用
キャパシタとして強誘電体を用いた不揮発性メモリに係
るものである。
キャパシタとして強誘電体を用いた不揮発性メモリに係
るものである。
【0002】
【従来の技術】大容量記憶装置としてハードディスク装
置(HDD)が使用されている。HDDは大容量ではあ
るが機械的動作を必要とするため読み書き速度が遅い。
また、可動部分が存在するため機械的衝撃が加えられた
時に記録部に損傷が生じ読み書き不能となるクラッシュ
事故が発生することがある。最近のHDDはソフトウェ
ア規模の増大及び取り扱うデータ量の増大により益々大
容量化しており、このクラッシュ事故が発生した時の被
害規模は無視できないものとなってきている。
置(HDD)が使用されている。HDDは大容量ではあ
るが機械的動作を必要とするため読み書き速度が遅い。
また、可動部分が存在するため機械的衝撃が加えられた
時に記録部に損傷が生じ読み書き不能となるクラッシュ
事故が発生することがある。最近のHDDはソフトウェ
ア規模の増大及び取り扱うデータ量の増大により益々大
容量化しており、このクラッシュ事故が発生した時の被
害規模は無視できないものとなってきている。
【0003】半導体メモリは、読み書き動作状態からR
AM(Random Access Memory)とSAM(Sequential A
ccess Memory)とに大きく分類され、これらは原理的に
記憶動作状態から読み書きが可能なRWM(Read Write
Memory)及び読みだしだけが可能なROM(Read Only
Memory)に分けられ、また、記憶内容の維持に電力を
要せず、電源を切っても記憶内容を失わないものは不揮
発性メモリ、記憶内容の維持に電力を要し、電源を切る
と記憶内容を失うものは揮発性メモリと呼ばれている。
AM(Random Access Memory)とSAM(Sequential A
ccess Memory)とに大きく分類され、これらは原理的に
記憶動作状態から読み書きが可能なRWM(Read Write
Memory)及び読みだしだけが可能なROM(Read Only
Memory)に分けられ、また、記憶内容の維持に電力を
要せず、電源を切っても記憶内容を失わないものは不揮
発性メモリ、記憶内容の維持に電力を要し、電源を切る
と記憶内容を失うものは揮発性メモリと呼ばれている。
【0004】一般に用いられている半導体揮発性メモリ
には大きく分けてDRAM(Dynamic Randum Access Me
mory)とSRAM(Static Randum Access Memory)が
ある。 DRAMは記憶セルが1個のトランジスタと1
個のキャパシタから構成されており構造が簡単なため集
積度を高くすることが可能であるため比較的安価である
反面キャパシタに蓄積された電荷が自然放電により失わ
れるため、蓄積電荷を補充するリフレッシュ動作を行う
必要があり、消費電力が大きい。これに対して、SRA
Mは2個のトランジスタから構成されるフリップフロッ
プ回路によって記憶セルが構成されていためる集積度を
高くすることが困難で高価であるが、消費電力は小さ
い。
には大きく分けてDRAM(Dynamic Randum Access Me
mory)とSRAM(Static Randum Access Memory)が
ある。 DRAMは記憶セルが1個のトランジスタと1
個のキャパシタから構成されており構造が簡単なため集
積度を高くすることが可能であるため比較的安価である
反面キャパシタに蓄積された電荷が自然放電により失わ
れるため、蓄積電荷を補充するリフレッシュ動作を行う
必要があり、消費電力が大きい。これに対して、SRA
Mは2個のトランジスタから構成されるフリップフロッ
プ回路によって記憶セルが構成されていためる集積度を
高くすることが困難で高価であるが、消費電力は小さ
い。
【0005】そのため、従来はコンピュータ内部の動作
時の内部記憶装置として用いられる半導体メモリとして
は大容量のDRAM(Dynamic Randum Access Memory)
が用いられ、非使用時の内部記憶装置あるいはメモリー
カード等の外部記憶装置には小容量のSRAM(Static
Randum Access Memory)が用いられている。
時の内部記憶装置として用いられる半導体メモリとして
は大容量のDRAM(Dynamic Randum Access Memory)
が用いられ、非使用時の内部記憶装置あるいはメモリー
カード等の外部記憶装置には小容量のSRAM(Static
Randum Access Memory)が用いられている。
【0006】また、不揮発性メモリには製造時にデータ
が構造的に記録されており書き込みが全くできないマス
クROMと、製造後に書き込みを行うことができるEP
ROM(Erasable Programable ROM)とがある。そ
して、EPROMには代表的なものとして電気的に書き
込みを行い消去は紫外線を照射することによって一括し
て行うUV−EPROM(Ultra Violet−EPRO
M)、電気的な書き込み消去をビット単位で行うEEP
ROM(Electrically EPROM)及び電気的な書き
込み消去を一括して行うフラッシュEEPROM(Flas
h EEPROM)がある。
が構造的に記録されており書き込みが全くできないマス
クROMと、製造後に書き込みを行うことができるEP
ROM(Erasable Programable ROM)とがある。そ
して、EPROMには代表的なものとして電気的に書き
込みを行い消去は紫外線を照射することによって一括し
て行うUV−EPROM(Ultra Violet−EPRO
M)、電気的な書き込み消去をビット単位で行うEEP
ROM(Electrically EPROM)及び電気的な書き
込み消去を一括して行うフラッシュEEPROM(Flas
h EEPROM)がある。
【0007】これらの書き込み可能なEPROMはいず
れも書き込み動作に要する時間が数msと長く、データ
書き込み回数が104回程度と少ない。また、その動作
原理から書き込み動作の制御が複雑である。そのため、
SRAMに代えてEPROMを使用することができな
い。
れも書き込み動作に要する時間が数msと長く、データ
書き込み回数が104回程度と少ない。また、その動作
原理から書き込み動作の制御が複雑である。そのため、
SRAMに代えてEPROMを使用することができな
い。
【0008】ところで、近年、DRAM中でMOS電界
効果トランジスタ(MOSFET)と組み合わせて記憶
部に用いられるキャパシタの誘電体としてSiO2やS
iNxに代えて強誘電体薄膜を用い、この強誘電体を自
発分極させることによって記憶動作を行わせる強誘電体
不揮発性メモリはRAMでありながら記憶維持に電力を
要しないため不揮発性であること、構造が単純なため集
積化に適していること、低電圧駆動が可能であること、
書き込み動作に要する時間が240ns〜500nsと
EPROMと比較して短いことから、SRAMあるいは
HDDに代わる記憶装置として注目されている。
効果トランジスタ(MOSFET)と組み合わせて記憶
部に用いられるキャパシタの誘電体としてSiO2やS
iNxに代えて強誘電体薄膜を用い、この強誘電体を自
発分極させることによって記憶動作を行わせる強誘電体
不揮発性メモリはRAMでありながら記憶維持に電力を
要しないため不揮発性であること、構造が単純なため集
積化に適していること、低電圧駆動が可能であること、
書き込み動作に要する時間が240ns〜500nsと
EPROMと比較して短いことから、SRAMあるいは
HDDに代わる記憶装置として注目されている。
【0009】この強誘電体不揮発性メモリにはMOSF
ETのゲート絶縁膜を強誘電体で構成し、蓄積された分
極電荷によってゲートを制御するMOSFET型強誘電
体不揮発性メモリと、1トランジスタ・1キャパシタ型
DRAMのキャパシタを強誘電体を用いて構成し、蓄積
された分極電荷を破壊読み出しによって読み出し再書き
込みを行うDRAM型強誘電体不揮発性メモリとがあ
る。本発明はDRAM型強誘電体不揮発性メモリに関す
るものであり、その構造を図1に示す。
ETのゲート絶縁膜を強誘電体で構成し、蓄積された分
極電荷によってゲートを制御するMOSFET型強誘電
体不揮発性メモリと、1トランジスタ・1キャパシタ型
DRAMのキャパシタを強誘電体を用いて構成し、蓄積
された分極電荷を破壊読み出しによって読み出し再書き
込みを行うDRAM型強誘電体不揮発性メモリとがあ
る。本発明はDRAM型強誘電体不揮発性メモリに関す
るものであり、その構造を図1に示す。
【0010】図1(a)に示されたのはDRAM型強誘
電体不揮発性メモリの単位セルの構造模式図であり、同
(b)に示したのはその等価回路である。この単位メモ
リセルは1個のMOSFETと1個の強誘電体キャパシ
タとから構成されており、MOSFETはp型シリコン
基板1上に形成されたソース領域あるいはドレイン領域
であるn型の高不純物密度領域2,3と、これらn型高
不純物密度領域2,3の中間位置に形成されたゲート絶
縁膜4を介して配設されたゲート電極5とから構成され
ている。なお、層間絶縁膜はゲート電極5の全体を覆っ
ている。強誘電体キャパシタはMOSFETにおいてゲ
ート電極5を覆っている層間絶縁膜の上に形成されたキ
ャパシタ下部電極6と、キャパシタ下部電極6を覆って
形成されたPZT[Pb(ZrxTi1-x)O3]からな
る強誘電体薄膜7と、強誘電体薄膜7の上に形成された
キャパシタ上部電極8とから構成されている。これらの
MOSFETと強誘電体キャパシタの電気的接続を行う
ために、n型高不純物密度領域2,3の一方とキャパシ
タ上部電極8とがアルミニウム膜導電体9によって接続
されている。
電体不揮発性メモリの単位セルの構造模式図であり、同
(b)に示したのはその等価回路である。この単位メモ
リセルは1個のMOSFETと1個の強誘電体キャパシ
タとから構成されており、MOSFETはp型シリコン
基板1上に形成されたソース領域あるいはドレイン領域
であるn型の高不純物密度領域2,3と、これらn型高
不純物密度領域2,3の中間位置に形成されたゲート絶
縁膜4を介して配設されたゲート電極5とから構成され
ている。なお、層間絶縁膜はゲート電極5の全体を覆っ
ている。強誘電体キャパシタはMOSFETにおいてゲ
ート電極5を覆っている層間絶縁膜の上に形成されたキ
ャパシタ下部電極6と、キャパシタ下部電極6を覆って
形成されたPZT[Pb(ZrxTi1-x)O3]からな
る強誘電体薄膜7と、強誘電体薄膜7の上に形成された
キャパシタ上部電極8とから構成されている。これらの
MOSFETと強誘電体キャパシタの電気的接続を行う
ために、n型高不純物密度領域2,3の一方とキャパシ
タ上部電極8とがアルミニウム膜導電体9によって接続
されている。
【0011】このような構成を有するDRAM型強誘電
体不揮発性単位メモリセルの等価回路を(b)に示す
が、ゲート電極5はワード線に、キャパシタ上部電極に
接続されていないn型高不純物密度領域3はビット線
に、キャパシタ下部電極6はドライブ線に接続されてD
RAM型メモリとして動作する。
体不揮発性単位メモリセルの等価回路を(b)に示す
が、ゲート電極5はワード線に、キャパシタ上部電極に
接続されていないn型高不純物密度領域3はビット線
に、キャパシタ下部電極6はドライブ線に接続されてD
RAM型メモリとして動作する。
【0012】この強誘電体不揮発性メモリに用いられて
いる強誘電体材料であるPZT薄膜は電圧を印加されて
分極をくり返すことにより分極特性が低下し、およそ1
08回で使用不能となる。この108回という回数はEE
PROMの106と比較すれば多いが、10MHzの連続
読み書きを仮定した場合に10年間に行われる読み書き
回数3×1015回は達成されていない。したがって、1
08回という数字はメモリの書換回数として十分な数字
ではない。
いる強誘電体材料であるPZT薄膜は電圧を印加されて
分極をくり返すことにより分極特性が低下し、およそ1
08回で使用不能となる。この108回という回数はEE
PROMの106と比較すれば多いが、10MHzの連続
読み書きを仮定した場合に10年間に行われる読み書き
回数3×1015回は達成されていない。したがって、1
08回という数字はメモリの書換回数として十分な数字
ではない。
【0013】その原因として、不揮発性半導体メモリに
おいては破壊読みだしと読みだし内容の再書き込みが行
われる毎に分極の方向が反転するが、PZTの場合は分
極軸の方向が一定ではないために分極反転時に強誘電体
膜中に機械的ストレスが生じ、この機械的ストレスによ
り膜中の結晶構成が変化するためであると考えられる。
おいては破壊読みだしと読みだし内容の再書き込みが行
われる毎に分極の方向が反転するが、PZTの場合は分
極軸の方向が一定ではないために分極反転時に強誘電体
膜中に機械的ストレスが生じ、この機械的ストレスによ
り膜中の結晶構成が変化するためであると考えられる。
【0014】強誘電体材料の自発分極の様子を図2に模
式的に示す。強誘電体材料は一般的にセラミック材料で
あり、通常は多くの微結晶粒から構成されている。これ
らの結晶粒は印加電界により分極し、この分極は印加電
界が取り去られた後も維持され(自発分極)、この自発
分極により記憶動作が行われる。なお、その自発分極は
微結晶粒の分極軸方向に生じる。
式的に示す。強誘電体材料は一般的にセラミック材料で
あり、通常は多くの微結晶粒から構成されている。これ
らの結晶粒は印加電界により分極し、この分極は印加電
界が取り去られた後も維持され(自発分極)、この自発
分極により記憶動作が行われる。なお、その自発分極は
微結晶粒の分極軸方向に生じる。
【0015】図2(a)は従来使用されている代表的な
強誘電体であるPZTの結晶構造を示すものであり、こ
の図において8は強誘電体薄膜であり、7及び7’は強
誘電体薄膜8の分極状態を変更するために電圧を印加す
る電極である。破線で囲んだ部分は強誘電体の結晶粒で
あり、電極7及び7’の間に印加された電圧によりこの
結晶粒単位でその分極軸方向に分極する。この図におい
て黒矢印は強誘電体薄膜8の厚さ方向の分極軸であり、
白矢印は強誘電体薄膜8の厚さ方向とは異なる方向の分
極軸である。PZT多結晶は1軸性ではないため、この
図に示すように薄膜の厚さ方向とは異なる方向の分極軸
を有する結晶粒が存在している。このように、分極軸の
方向が一定ではなく白矢印で示したように本来の分極軸
方向と異なる方向の分極軸を有する結晶粒が存在してい
る場合には、分極反転時に機械的ストレスが発生し、こ
の機械的ストレスにより膜の構造が変化する。
強誘電体であるPZTの結晶構造を示すものであり、こ
の図において8は強誘電体薄膜であり、7及び7’は強
誘電体薄膜8の分極状態を変更するために電圧を印加す
る電極である。破線で囲んだ部分は強誘電体の結晶粒で
あり、電極7及び7’の間に印加された電圧によりこの
結晶粒単位でその分極軸方向に分極する。この図におい
て黒矢印は強誘電体薄膜8の厚さ方向の分極軸であり、
白矢印は強誘電体薄膜8の厚さ方向とは異なる方向の分
極軸である。PZT多結晶は1軸性ではないため、この
図に示すように薄膜の厚さ方向とは異なる方向の分極軸
を有する結晶粒が存在している。このように、分極軸の
方向が一定ではなく白矢印で示したように本来の分極軸
方向と異なる方向の分極軸を有する結晶粒が存在してい
る場合には、分極反転時に機械的ストレスが発生し、こ
の機械的ストレスにより膜の構造が変化する。
【0016】
【発明の概要】本発明は、不揮発性半導体メモリの寿命
が不十分なのは、従来使用されているPZTの場合は分
極軸の方向が一定ではないために分極反転時に強誘電体
膜中に機械的ストレスが生じ、この機械的ストレスによ
り膜中の結晶構成が変化するためであるとの認識に基づ
いてなされたものであり、この問題を解決するための手
段として、一軸分極性を有するPb5Ge3O11強誘電体
を用いたものである。PZTと同様に強誘電体として知
られるゲルマン酸鉛(Pb5Ge3O11)は結晶の<00
1>方向のみに強誘電性を示す一軸性強誘電体であり、
分極軸方向の垂直方向には常誘電性を示し強誘電性を示
さない。したがって、Pb5Ge3O11膜の分極軸方向を
必要な方向に配向することにより良好な強誘電体を得る
ことができる。
が不十分なのは、従来使用されているPZTの場合は分
極軸の方向が一定ではないために分極反転時に強誘電体
膜中に機械的ストレスが生じ、この機械的ストレスによ
り膜中の結晶構成が変化するためであるとの認識に基づ
いてなされたものであり、この問題を解決するための手
段として、一軸分極性を有するPb5Ge3O11強誘電体
を用いたものである。PZTと同様に強誘電体として知
られるゲルマン酸鉛(Pb5Ge3O11)は結晶の<00
1>方向のみに強誘電性を示す一軸性強誘電体であり、
分極軸方向の垂直方向には常誘電性を示し強誘電性を示
さない。したがって、Pb5Ge3O11膜の分極軸方向を
必要な方向に配向することにより良好な強誘電体を得る
ことができる。
【0017】
【実施例】本願発明の実施例を説明する。本願発明に係
るDRAM型強誘電体不揮発性メモリの単位セルの構造
は図1に示した従来のEPROM型強誘電体不揮発性メ
モリと同一であるのでこれらの図を再度用いて本願発明
の実施例を説明する。
るDRAM型強誘電体不揮発性メモリの単位セルの構造
は図1に示した従来のEPROM型強誘電体不揮発性メ
モリと同一であるのでこれらの図を再度用いて本願発明
の実施例を説明する。
【0018】図1(a)に示したDRAM型強誘電体不
揮発性メモリの単位セルは1個のMOSFETと1個の
強誘電体キャパシタとから構成されており、MOSFE
Tはp型シリコン基板1上に形成されたソース領域ある
いはドレイン領域であるn型の高不純物密度領域2,3
と、これらn型高不純物密度領域2,3の中間位置に形
成されたゲート絶縁膜4を介して配設されたゲート電極
5とから構成されている。なお、ゲート絶縁膜4はゲー
ト電極5の全体を覆っている。強誘電体キャパシタはM
OSFETにおいてゲート電極5を覆っているゲート絶
縁膜の上に形成されたキャパシタ下部電極6と、キャパ
シタ下部電極6を覆って形成された強誘電体薄膜7と、
強誘電体薄膜7の上に形成されたキャパシタ上部電極8
とから構成されており、この誘電体薄膜として従来のP
ZTに代えてゲルマン酸鉛(Pb5Ge3O11)からなる
強誘電体薄膜4が形成されている。これらのMOSFE
Tと強誘電体キャパシタの電気的接続を行うために、n
型高不純物密度領域2,3の一方とキャパシタ上部電極
8とがアルミニウム膜導電体9によって接続されてい
る。
揮発性メモリの単位セルは1個のMOSFETと1個の
強誘電体キャパシタとから構成されており、MOSFE
Tはp型シリコン基板1上に形成されたソース領域ある
いはドレイン領域であるn型の高不純物密度領域2,3
と、これらn型高不純物密度領域2,3の中間位置に形
成されたゲート絶縁膜4を介して配設されたゲート電極
5とから構成されている。なお、ゲート絶縁膜4はゲー
ト電極5の全体を覆っている。強誘電体キャパシタはM
OSFETにおいてゲート電極5を覆っているゲート絶
縁膜の上に形成されたキャパシタ下部電極6と、キャパ
シタ下部電極6を覆って形成された強誘電体薄膜7と、
強誘電体薄膜7の上に形成されたキャパシタ上部電極8
とから構成されており、この誘電体薄膜として従来のP
ZTに代えてゲルマン酸鉛(Pb5Ge3O11)からなる
強誘電体薄膜4が形成されている。これらのMOSFE
Tと強誘電体キャパシタの電気的接続を行うために、n
型高不純物密度領域2,3の一方とキャパシタ上部電極
8とがアルミニウム膜導電体9によって接続されてい
る。
【0019】このような構成を有するDRAM型強誘電
体不揮発性単位メモリセルの等価回路を(b)に示す
が、ゲート電極5はワード線に、キャパシタ上部電極に
接続されていないn型高不純物密度領域3はビット線
に、キャパシタ下部電極6はドライブ線に接続されてD
RAM型メモリとして動作する。
体不揮発性単位メモリセルの等価回路を(b)に示す
が、ゲート電極5はワード線に、キャパシタ上部電極に
接続されていないn型高不純物密度領域3はビット線
に、キャパシタ下部電極6はドライブ線に接続されてD
RAM型メモリとして動作する。
【0020】図2(b)にPb5Ge3O11膜10の結晶
構成を示す。この図において7及び7’はPb5Ge3O
11膜10の分極状態を変更するために電圧を印加する電
極である。破線で囲んだ部分は結晶粒であり、これらの
結晶粒は分極用の電圧が印加される前は180゜異なる
方向の分極軸を有しているが、分極用の電圧が印加され
た後は図中で黒矢印で示されるようにすべて同じ方向に
分極する。そのため分極反転が容易に行われ、また分極
反転時に機械的ストレスが発生しない。
構成を示す。この図において7及び7’はPb5Ge3O
11膜10の分極状態を変更するために電圧を印加する電
極である。破線で囲んだ部分は結晶粒であり、これらの
結晶粒は分極用の電圧が印加される前は180゜異なる
方向の分極軸を有しているが、分極用の電圧が印加され
た後は図中で黒矢印で示されるようにすべて同じ方向に
分極する。そのため分極反転が容易に行われ、また分極
反転時に機械的ストレスが発生しない。
【0021】次に、Pb5Ge3O11薄膜製造方法につい
て説明する。 [製造方法1]図3に本願発明において強誘電体薄膜を
形成するために用いるマグネトロンスパッタリング装置
を示す。このマグネトロンスパッタリング装置は、減圧
されたチャンバ11内に2個のマグネトロンスパッタリ
ングカソード12及び13を具えており、これら2個の
マグネトロンスパッタリングカソード12,13に対向
する位置に基板ホルダ4が配置され、マグネトロンスパ
ッタリングカソード12,13と基板ホルダ14の間に
はシャッタ15が配置されている。2個のマグネトロン
スパッタリングカソード12,13には各々高周波電源
16及び17が接続されており、チャンバ1内にスパッ
タリング用のガスを供給するガス供給口が設けられてい
る。
て説明する。 [製造方法1]図3に本願発明において強誘電体薄膜を
形成するために用いるマグネトロンスパッタリング装置
を示す。このマグネトロンスパッタリング装置は、減圧
されたチャンバ11内に2個のマグネトロンスパッタリ
ングカソード12及び13を具えており、これら2個の
マグネトロンスパッタリングカソード12,13に対向
する位置に基板ホルダ4が配置され、マグネトロンスパ
ッタリングカソード12,13と基板ホルダ14の間に
はシャッタ15が配置されている。2個のマグネトロン
スパッタリングカソード12,13には各々高周波電源
16及び17が接続されており、チャンバ1内にスパッ
タリング用のガスを供給するガス供給口が設けられてい
る。
【0022】第1のマグネトロンスパッタリングカソー
ド12にはPb金属ターゲット18が、第2のマグネト
ロンスパッタリングカソード13にはGe金属ターゲッ
ト19が装着されており、基板ホルダ14には、約1,
000Åの厚さの白金膜が下部電極として形成されたシ
リコン基板20が装着されている。下部電極膜として
は、この他にもパラジウムやニッケル等の高融点金属膜
あるいは窒化チタン膜、酸化物導電膜等が使用可能であ
る。10-4Pa程度に減圧されたチャンバ11内には、
高純度アルゴンガスに酸素を20%混合したスパッタリ
ングガスが0.5Paの圧力となるように導入されてい
る。また、高周波電源16,17としては周波数13.
56MHzの高周波が容量結合で供給される。
ド12にはPb金属ターゲット18が、第2のマグネト
ロンスパッタリングカソード13にはGe金属ターゲッ
ト19が装着されており、基板ホルダ14には、約1,
000Åの厚さの白金膜が下部電極として形成されたシ
リコン基板20が装着されている。下部電極膜として
は、この他にもパラジウムやニッケル等の高融点金属膜
あるいは窒化チタン膜、酸化物導電膜等が使用可能であ
る。10-4Pa程度に減圧されたチャンバ11内には、
高純度アルゴンガスに酸素を20%混合したスパッタリ
ングガスが0.5Paの圧力となるように導入されてい
る。また、高周波電源16,17としては周波数13.
56MHzの高周波が容量結合で供給される。
【0023】基板20は基板ホルダ14に内蔵されてい
る加熱ヒーターにより約100℃に加熱されており、第
1のマグネトロンスパッタリングカソード12に250
W,第2のマグネトロンスパッタリングカソード13に
200Wの高周波電力を供給し、シャッタ15を閉じて
所定時間のプリスパッタリングを行った後にシャッタ1
5を開いて形成される膜厚が10,000Åになるまで
基板10上にPb5Ge3O11薄膜を形成する。
る加熱ヒーターにより約100℃に加熱されており、第
1のマグネトロンスパッタリングカソード12に250
W,第2のマグネトロンスパッタリングカソード13に
200Wの高周波電力を供給し、シャッタ15を閉じて
所定時間のプリスパッタリングを行った後にシャッタ1
5を開いて形成される膜厚が10,000Åになるまで
基板10上にPb5Ge3O11薄膜を形成する。
【0024】次に、このようにして得られたPb5Ge3
O11薄膜を、赤外線加熱装置を用いて400℃から75
0℃の温度範囲において10℃/secの昇温速度で1
0分間熱処理を行う。
O11薄膜を、赤外線加熱装置を用いて400℃から75
0℃の温度範囲において10℃/secの昇温速度で1
0分間熱処理を行う。
【0025】このようにして得られたPb5Ge3O11薄
膜のX線回折装置による回折パターンを図5に示す。こ
の回折パターンにおいて横軸はX線の回折角度であり、
縦軸はその強度を示しているが、回折角24゜に現れた
ピークはPb5Ge3O11薄膜の分極軸であるC軸配向を
示すピークであり、回折角40゜に現れたピークはシリ
コンの基板上に電極として形成された白金膜によるピー
クである。なお、この白金膜による実際のピークはここ
に示したものよりも高いが、図面記載の都合上その部分
は省略してある。
膜のX線回折装置による回折パターンを図5に示す。こ
の回折パターンにおいて横軸はX線の回折角度であり、
縦軸はその強度を示しているが、回折角24゜に現れた
ピークはPb5Ge3O11薄膜の分極軸であるC軸配向を
示すピークであり、回折角40゜に現れたピークはシリ
コンの基板上に電極として形成された白金膜によるピー
クである。なお、この白金膜による実際のピークはここ
に示したものよりも高いが、図面記載の都合上その部分
は省略してある。
【0026】この回折パターンから明らかなように、5
50℃から700℃の温度で10分間熱処理を行うこと
により、分極軸の膜厚方向の配向性がきわめて良好なP
b5Ge3O11薄膜が形成されていることが確認される。
なお、Pb5Ge3O11の融点は738℃であるためこの
温度で熱処理を行った薄膜は結晶軸の一軸配向性を失
い、特別のピークを示さない。
50℃から700℃の温度で10分間熱処理を行うこと
により、分極軸の膜厚方向の配向性がきわめて良好なP
b5Ge3O11薄膜が形成されていることが確認される。
なお、Pb5Ge3O11の融点は738℃であるためこの
温度で熱処理を行った薄膜は結晶軸の一軸配向性を失
い、特別のピークを示さない。
【0027】次に、熱処理温度を650℃と一定とし、
温度上昇速度を0.2℃/sec.,1.0℃/sec.,10℃
/sec.,30℃/sec.とした場合のX線回折パターンを
図6に示す。このX線回折パターンによれば、C軸配向
を示すピークが最も強く現れたのは温度上昇速度を10
℃/sec.とした場合であって、次いで温度上昇速度を3
0℃/sec.とした場合である。これに対して、温度上昇
速度を1.0℃/sec.とした場合及び0.2℃/sec.とし
た場合に現れるピークは小さい。したがって、温度上昇
速度を10℃/sec.以上とした場合に十分なC軸配向を
得ることができる。
温度上昇速度を0.2℃/sec.,1.0℃/sec.,10℃
/sec.,30℃/sec.とした場合のX線回折パターンを
図6に示す。このX線回折パターンによれば、C軸配向
を示すピークが最も強く現れたのは温度上昇速度を10
℃/sec.とした場合であって、次いで温度上昇速度を3
0℃/sec.とした場合である。これに対して、温度上昇
速度を1.0℃/sec.とした場合及び0.2℃/sec.とし
た場合に現れるピークは小さい。したがって、温度上昇
速度を10℃/sec.以上とした場合に十分なC軸配向を
得ることができる。
【0028】本方法で得られたPb5Ge3O11薄膜のヒ
ステリシス特性は図7に示すように極めて良好な特性を
示している。
ステリシス特性は図7に示すように極めて良好な特性を
示している。
【0029】[製造方法2]製造方法1においてはPb
ターゲットとGeターゲットの2個のターゲットを用い
ているが、次に、製造方法2として、単一カソードマグ
ネトロンスパッタリング装置を用いた製造方法を図4に
示す。このマグネトロンスパッタリング装置は、減圧さ
れたチャンバ21内に単一のマグネトロンスパッタリン
グカソード22を具えており、このマグネトロンスパッ
タリングカソード22に対向する位置に基板ホルダ24
が配置され、マグネトロンスパッタリングカソード22
と基板ホルダ24の間にはシャッタ25が配置されてい
る。マグネトロンスパッタリングカソード22には高周
波電源26が接続されており、チャンバ21内にスパッ
タリング用のガスを供給するガス供給口が設けられてい
る。
ターゲットとGeターゲットの2個のターゲットを用い
ているが、次に、製造方法2として、単一カソードマグ
ネトロンスパッタリング装置を用いた製造方法を図4に
示す。このマグネトロンスパッタリング装置は、減圧さ
れたチャンバ21内に単一のマグネトロンスパッタリン
グカソード22を具えており、このマグネトロンスパッ
タリングカソード22に対向する位置に基板ホルダ24
が配置され、マグネトロンスパッタリングカソード22
と基板ホルダ24の間にはシャッタ25が配置されてい
る。マグネトロンスパッタリングカソード22には高周
波電源26が接続されており、チャンバ21内にスパッ
タリング用のガスを供給するガス供給口が設けられてい
る。
【0030】マグネトロンスパッタリングカソード22
にはPb5Ge3O11ターゲット23が装着されており、
基板ホルダ24には、約1,000Åの厚さの白金膜が
下部電極として形成されたシリコン基板27が装着され
ている。下部電極膜としては、この他にもパラジウムや
ニッケル等の高融点金属膜あるいは窒化チタン膜、酸化
物導電膜等が使用可能である。10-4Pa程度に減圧さ
れたチャンバ21内には、高純度アルゴンガスに酸素を
20%混合したスパッタリングガスが0.5Paの圧力
となるように導入されている。マグネトロンスパッタリ
ングカソード22には各々高周波電源26が接続されて
おり、チャンバ21内にスパッタリング用のガスを供給
するガス供給口(図示せず)が設けられている。また、
高周波電源26としては周波数13.56MHzの高周波
が供給される。
にはPb5Ge3O11ターゲット23が装着されており、
基板ホルダ24には、約1,000Åの厚さの白金膜が
下部電極として形成されたシリコン基板27が装着され
ている。下部電極膜としては、この他にもパラジウムや
ニッケル等の高融点金属膜あるいは窒化チタン膜、酸化
物導電膜等が使用可能である。10-4Pa程度に減圧さ
れたチャンバ21内には、高純度アルゴンガスに酸素を
20%混合したスパッタリングガスが0.5Paの圧力
となるように導入されている。マグネトロンスパッタリ
ングカソード22には各々高周波電源26が接続されて
おり、チャンバ21内にスパッタリング用のガスを供給
するガス供給口(図示せず)が設けられている。また、
高周波電源26としては周波数13.56MHzの高周波
が供給される。
【0031】基板27は基板ホルダ24に内蔵されてい
る加熱ヒーターにより約100℃に加熱されており、マ
グネトロンスパッタリングカソード22に200Wの高
周波電力を供給し、シャッタ25を閉じて所定時間のプ
リスパッタリングを行った後にシャッタ25を開き、形
成される膜厚が10,000Åになるまで基板27上に
Pb5Ge3O11薄膜を形成する。
る加熱ヒーターにより約100℃に加熱されており、マ
グネトロンスパッタリングカソード22に200Wの高
周波電力を供給し、シャッタ25を閉じて所定時間のプ
リスパッタリングを行った後にシャッタ25を開き、形
成される膜厚が10,000Åになるまで基板27上に
Pb5Ge3O11薄膜を形成する。
【0032】このようにして形成されたPb5Ge3O11
薄膜を昇温速度10℃/sec.以上、550℃以上700
℃以下の温度で長くても10分程度の熱処理を行う。
薄膜を昇温速度10℃/sec.以上、550℃以上700
℃以下の温度で長くても10分程度の熱処理を行う。
【0033】このようにして形成されたPb5Ge3O11
薄膜について、実施例1と同様の熱処理を行った結果、
熱処理温度範囲および温度上昇速度について製造方法1
と同様の結果を得ることができる。
薄膜について、実施例1と同様の熱処理を行った結果、
熱処理温度範囲および温度上昇速度について製造方法1
と同様の結果を得ることができる。
【0034】これらのマグネトロンスパッタリング法で
形成されたPb5Ge3O11薄膜を昇温速度10℃/sec.
以上、550℃以上700℃以下の温度で長くても10
分程度の熱処理を行うことにより、極めて分極軸配向性
の良好なPb5Ge3O11薄膜を得ることができる。ま
た、マグネトロンスパッタリング法で形成されたPb5
Ge3O11薄膜は、レーザーアブレーション法で形成さ
れた薄膜にあるような、特定の結晶方位配向核を持たな
い状態で形成することができた。
形成されたPb5Ge3O11薄膜を昇温速度10℃/sec.
以上、550℃以上700℃以下の温度で長くても10
分程度の熱処理を行うことにより、極めて分極軸配向性
の良好なPb5Ge3O11薄膜を得ることができる。ま
た、マグネトロンスパッタリング法で形成されたPb5
Ge3O11薄膜は、レーザーアブレーション法で形成さ
れた薄膜にあるような、特定の結晶方位配向核を持たな
い状態で形成することができた。
【0035】上記のPb5Ge3O11薄膜の形成法を用い
て基板として、予めセンスアンプ等の周辺回路,ピット
線選択MOSFET,強誘電体キャパシタ用白金下部電
極をSi半導体基板上に形成した半導体装置を用い、P
b5Ge3O11薄膜を形成し、その後、強誘電体膜キャパ
シタのパターニング、上部電極形成、最終配線を行うこ
とで強誘電体メモリーを構成することが出来た。このよ
うに本発明による分極軸方向配向性Pb5Ge3O11薄膜
を強誘電体不揮発性メモリーのキャパシタに用いた半導
体記憶装置は、従来用いられたPZT薄膜にみられるよ
うな、分極反転に伴う強誘電体キャパシタの劣化がスイ
ッチングを1013以上繰り返しても全く観測されず、従
来の強誘電体不揮発性メモリーの信頼性の問題が解決で
きた。
て基板として、予めセンスアンプ等の周辺回路,ピット
線選択MOSFET,強誘電体キャパシタ用白金下部電
極をSi半導体基板上に形成した半導体装置を用い、P
b5Ge3O11薄膜を形成し、その後、強誘電体膜キャパ
シタのパターニング、上部電極形成、最終配線を行うこ
とで強誘電体メモリーを構成することが出来た。このよ
うに本発明による分極軸方向配向性Pb5Ge3O11薄膜
を強誘電体不揮発性メモリーのキャパシタに用いた半導
体記憶装置は、従来用いられたPZT薄膜にみられるよ
うな、分極反転に伴う強誘電体キャパシタの劣化がスイ
ッチングを1013以上繰り返しても全く観測されず、従
来の強誘電体不揮発性メモリーの信頼性の問題が解決で
きた。
【0036】上記製造方法1及び2の形成法を用いて、
基板として予め、センスアンプ等の周辺回路,ピット線
選択MOSFET,強誘電体キャパシタ用白金下部電極
をSi半導体基板上に形成した半導体装置を用い、Pb
5Ge3O11薄膜を形成し、その後、強誘電体膜キャピシ
タのパターニング、上部電極形成、最終配線を行うこと
で強誘電体メモリーを構成する。
基板として予め、センスアンプ等の周辺回路,ピット線
選択MOSFET,強誘電体キャパシタ用白金下部電極
をSi半導体基板上に形成した半導体装置を用い、Pb
5Ge3O11薄膜を形成し、その後、強誘電体膜キャピシ
タのパターニング、上部電極形成、最終配線を行うこと
で強誘電体メモリーを構成する。
【0037】このように本発明による分極軸方向配向性
Pb5Ge3O11薄膜を強誘電体不揮発性メモリーのキャ
パシタに用いた半導体記憶装置は、従来用いられたPZ
T薄膜にみられるような、分極反転に伴う強誘電体キャ
パシタの劣化がスイッチングを1013以上繰り返しても
全く観測されず、従来の強誘電体不揮発性メモリーの信
頼性の問題が解決できる。
Pb5Ge3O11薄膜を強誘電体不揮発性メモリーのキャ
パシタに用いた半導体記憶装置は、従来用いられたPZ
T薄膜にみられるような、分極反転に伴う強誘電体キャ
パシタの劣化がスイッチングを1013以上繰り返しても
全く観測されず、従来の強誘電体不揮発性メモリーの信
頼性の問題が解決できる。
【0038】本発明で用いるPb5Ge3O11薄膜が、他
の材料のように分極反転を繰り返したときの劣化が生じ
ない理由は、Pb5Ge3O11強誘電体の分極軸方位が、
一軸性であり、分極反転方位が180°方位のみである
ため、分極反転時にPZTのような90°反転時にみら
れるような強誘電体膜に対する物理的ストレスが生じに
くいためと考えられる。
の材料のように分極反転を繰り返したときの劣化が生じ
ない理由は、Pb5Ge3O11強誘電体の分極軸方位が、
一軸性であり、分極反転方位が180°方位のみである
ため、分極反転時にPZTのような90°反転時にみら
れるような強誘電体膜に対する物理的ストレスが生じに
くいためと考えられる。
【0039】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係る不揮発性メモリは記憶用の強誘電体として用いる
Pb5Ge3O11強誘電体の分極軸方位が一軸性であるた
め、分極反転時にPZTのような90°反転時にみられ
るような強誘電体膜に対する物理的ストレスが生じにく
く、その結果長寿命の不揮発性メモリを得ることができ
る。また、製造方法1及び2として示した不揮発性メモ
リ製造方法によれば、Pb5Ge3O11薄膜の形成に量産
性、コスト等で従来技術のフラッシュ蒸着法あるいは反
応性スパッタ法に対して実績のあるマグネトロンスパッ
タリング法を用いその時の基板温度を低温にすることか
できるため、成分元素の再蒸発が少なく安全な雰囲気中
で容易に目的組成の薄膜を形成することができ、マグネ
トロンスパッタリング法によって形成されたPb5Ge3
O11薄膜を短時間熱処理することにより、生産性が良好
で、低コストで長寿命な不揮発性メモリを製造すること
ができる。
に係る不揮発性メモリは記憶用の強誘電体として用いる
Pb5Ge3O11強誘電体の分極軸方位が一軸性であるた
め、分極反転時にPZTのような90°反転時にみられ
るような強誘電体膜に対する物理的ストレスが生じにく
く、その結果長寿命の不揮発性メモリを得ることができ
る。また、製造方法1及び2として示した不揮発性メモ
リ製造方法によれば、Pb5Ge3O11薄膜の形成に量産
性、コスト等で従来技術のフラッシュ蒸着法あるいは反
応性スパッタ法に対して実績のあるマグネトロンスパッ
タリング法を用いその時の基板温度を低温にすることか
できるため、成分元素の再蒸発が少なく安全な雰囲気中
で容易に目的組成の薄膜を形成することができ、マグネ
トロンスパッタリング法によって形成されたPb5Ge3
O11薄膜を短時間熱処理することにより、生産性が良好
で、低コストで長寿命な不揮発性メモリを製造すること
ができる。
【図1】DRAM型強誘電体不揮発性メモリの構造図及
び等価回路図。
び等価回路図。
【図2】強誘電体薄膜の結晶構造模式図。
【図3】製造方法1で用いるマグネトロンスパッタリン
グ装置の説明図。
グ装置の説明図。
【図4】製造方法2で用いるマグネトロンスパッタリン
グ装置の説明図。
グ装置の説明図。
【図5】熱処理温度をパラメータとするPb5Ge3O11
薄膜のX線回折パターン。
薄膜のX線回折パターン。
【図6】昇温速度をパラメータとするPb5Ge3O11薄
膜のX線回折パターン。
膜のX線回折パターン。
【図7】本発明方法によって得られたPb5Ge3O11薄
膜のヒステリシス曲線。
膜のヒステリシス曲線。
1 シリコン基板 2 ソース領域 3 ドレイン領域 4 ゲート絶縁膜 5 ゲート電極 6 下部電極 7,10 強誘電体薄膜 8 上部電極 9 アルミニウム膜導電体 11,21 チャンバ 12,13,22 マグネトロンスパッタリングカソー
ド 14,24 基板ホルダ 15,25 シャッタ 16,17,26 高周波電源 18 Pb金属ターゲット 19 Ge金属ターゲット 20,27 基板 23 ゲルマン酸鉛ターゲット
ド 14,24 基板ホルダ 15,25 シャッタ 16,17,26 高周波電源 18 Pb金属ターゲット 19 Ge金属ターゲット 20,27 基板 23 ゲルマン酸鉛ターゲット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/822 21/8242 27/108 21/8247 29/788 29/792 7210−4M H01L 27/10 325 J 29/78 371
Claims (1)
- 【請求項1】 MOSFETと強誘電体キャパシタと
から構成され前記強誘電体を自発分極させることにより
データを記憶する不揮発性メモリであって、前記強誘電
体キャパシタの強誘電体層がPb5Ge3O11分極軸方位
配向膜強誘電体からなる不揮発性メモリ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5221297A JPH0778943A (ja) | 1993-09-06 | 1993-09-06 | 不揮発性メモリ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5221297A JPH0778943A (ja) | 1993-09-06 | 1993-09-06 | 不揮発性メモリ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0778943A true JPH0778943A (ja) | 1995-03-20 |
Family
ID=16764585
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP5221297A Withdrawn JPH0778943A (ja) | 1993-09-06 | 1993-09-06 | 不揮発性メモリ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0778943A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0936675A2 (en) * | 1998-01-02 | 1999-08-18 | Sharp Kabushiki Kaisha | C-axis oriented thin film ferroelectric transistor memory cell and method of making the same |
KR100299563B1 (ko) * | 1997-06-28 | 2001-11-22 | 박종섭 | 반도체 소자의 캐패시터 제조방법 |
-
1993
- 1993-09-06 JP JP5221297A patent/JPH0778943A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100299563B1 (ko) * | 1997-06-28 | 2001-11-22 | 박종섭 | 반도체 소자의 캐패시터 제조방법 |
EP0936675A2 (en) * | 1998-01-02 | 1999-08-18 | Sharp Kabushiki Kaisha | C-axis oriented thin film ferroelectric transistor memory cell and method of making the same |
EP0936675A3 (en) * | 1998-01-02 | 2001-08-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | C-axis oriented thin film ferroelectric transistor memory cell and method of making the same |
KR100375747B1 (ko) * | 1998-01-02 | 2003-07-12 | 샤프 마이크로일렉트로닉스 테크놀러지 인코포레이티드 | C축배향박막강유전성트랜지스터메모리셀및그제조방법 |
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A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
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