JPH08330451A - Semiconductor storage device - Google Patents

Semiconductor storage device

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JPH08330451A
JPH08330451A JP7131516A JP13151695A JPH08330451A JP H08330451 A JPH08330451 A JP H08330451A JP 7131516 A JP7131516 A JP 7131516A JP 13151695 A JP13151695 A JP 13151695A JP H08330451 A JPH08330451 A JP H08330451A
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JP
Japan
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semiconductor
ferroelectric
film
diode
layer
Prior art date
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Application number
JP7131516A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Kawakubo
隆 川久保
Shin Fukushima
伸 福島
Kazuhide Abe
和秀 阿部
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP7131516A priority Critical patent/JPH08330451A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a new memory cell structure which uses the hetero junction of ferroelectric and semiconductor and provide a semiconductor storage device which allows nonvolatile storage, non-destructive reading, is small in size and capable of high integration. CONSTITUTION: A semiconductor storage device is provided with a hetero junction structure, where a PZT ferroelectric film 16 is sandwiched by two STO electrodes 13 and 15 formed of semiconductor film; an SFS diode, which controls current that flows to the hetero junction by polarization of the ferroelectric film 15, and a switch transistor, connected to the SFS diode, constitute the memory cell on an insulation layer 9 that covers the silicon substrate 1 whereupon the switch transistor is formed, a single crystal silicon layer 17 is grown from an opening provided at the part of the insulation layer 9, and on the single crystal silicon layer 17, a ferroelectric film 15 is epitaxially grown.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、強誘電体と半導体との
接合構造を有するダイオードを用いた半導体記憶装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device using a diode having a junction structure of a ferroelectric substance and a semiconductor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、強誘電体と半導体との接合特
性を利用して電流の制御を行う方法が検討されている。
一例として図8に示すように、強誘電体の残留分極によ
って半導体表面に電荷を誘起し、この分極電荷による半
導体内の電荷の横方向の伝導度の変化を利用する。これ
は、MIS(金属/絶縁体/半導体)FETのゲート絶
縁膜を強誘電体膜に置き換えた構造(MFS−FET)
であり、強誘電体膜の残留分極によって電界効果トラン
ジスタの導通状態を制御でき、原理的には不揮発性のメ
モリとして使用することができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a method of controlling a current by utilizing a junction characteristic between a ferroelectric substance and a semiconductor has been studied.
As an example, as shown in FIG. 8, a remanent polarization of a ferroelectric substance induces a charge on a semiconductor surface, and a change in lateral conductivity of the charge in the semiconductor due to the polarization charge is used. This is a structure (MFS-FET) in which the gate insulating film of MIS (metal / insulator / semiconductor) FET is replaced with a ferroelectric film.
Therefore, the conductive state of the field effect transistor can be controlled by the residual polarization of the ferroelectric film, and in principle, it can be used as a nonvolatile memory.

【0003】ところが、強誘電体と接した半導体表面の
導電性を利用する場合には、様々な問題がある。その一
つは、強誘電体を構成する元素の半導体への拡散の問題
である。強誘電性を実現するには、鉛やビスマスなどの
低融点金属が必要であるが、これらの金属はシリコンな
どの半導体中に極めて拡散しやすい。このため、強誘電
体膜を低温で形成しても、半導体表面近傍ではこれらの
金属の拡散が避けられず、多量の不純物準位が形成され
る。さらに、強誘電体と半導体は格子整合もしないた
め、界面には多量の界面準位が形成される。これらの半
導体表面近傍に形成された界面準位や不純物準位はキャ
リアのトラップとして働き、また強誘電体の分極を反転
するときに加える電界印加時にも多量のキャリアが注
入,トラップされるために、半導体として動作しなくな
ったり、動作が非常に不安定になるという問題がある。
However, there are various problems in utilizing the conductivity of the semiconductor surface in contact with the ferroelectric substance. One of them is the problem of diffusion of the elements constituting the ferroelectric substance into the semiconductor. Low-melting-point metals such as lead and bismuth are required to realize ferroelectricity, but these metals are extremely easy to diffuse into semiconductors such as silicon. Therefore, even if the ferroelectric film is formed at a low temperature, diffusion of these metals is inevitable near the semiconductor surface, and a large amount of impurity levels are formed. Further, since the ferroelectric substance and the semiconductor do not lattice match, a large amount of interface states are formed at the interface. Interface levels and impurity levels formed near the surface of these semiconductors act as carrier traps, and a large amount of carriers are injected and trapped even when an electric field is applied to invert the polarization of the ferroelectric substance. However, there is a problem that the semiconductor does not operate or the operation becomes very unstable.

【0004】このように、半導体の強誘電体との接合界
面の伝導度の変化を利用したデバイスは、上述したよう
な理由で実用化に当たっての大きな困難が存在し、特に
シリコン半導体と強誘電体とを直接接合したデバイスは
実用化の見通しは立っていないのが実情である。
As described above, the device utilizing the change in the conductivity of the junction interface between the semiconductor and the ferroelectric has a great difficulty in practical use for the above-mentioned reasons, and particularly, the silicon semiconductor and the ferroelectric. The reality is that there is no prospect of commercialization of a device that directly bonds to and.

【0005】また、最近の研究(第40回応用物理学関
係連合講演会31a−GC−1、第42回応用物理学関
係連合講演会29a−D−9)では、縦型の金属/強誘
電体/半導体(MFS)からなるメモリ作用を持つダイ
オードが発表されている。MFS接合においては、前述
したように強誘電体の残留分極によって半導体表面に電
荷が誘起され、この電荷が空乏層ないしは電荷蓄積層を
形成することにより半導体/強誘電体接合の障壁の高さ
が変化するため、分極状態を接合を通した抵抗値の変化
として読み出すことが可能になる。
In recent studies (40th Joint Lecture on Applied Physics 31a-GC-1 and 42nd Joint Lecture on Applied Physics 29a-D-9), vertical metal / ferroelectric Body-to-semiconductor (MFS) diodes with memory effect have been announced. In the MFS junction, as described above, charges are induced on the semiconductor surface due to the remanent polarization of the ferroelectric substance, and this charge forms a depletion layer or a charge storage layer, so that the barrier height of the semiconductor / ferroelectric junction is increased. Since it changes, the polarization state can be read as a change in resistance value through the junction.

【0006】MFSダイオードにおいても界面に形成さ
れる準位は極力減らす必要があるため、半導体電極や強
誘電体膜としては、単結晶であるかエピタキシャル成長
させた薄膜を用いることが望ましい。従って、現在まで
に知られているMFSダイオードは、全てチタン酸スト
ロンチウムや酸化マグネシウムなどの酸化物単結晶基板
を用いて作られており、シリコン半導体と組み合わせて
高集積化した半導体メモリを製作するのは不可能であっ
た。
In the MFS diode as well, it is necessary to reduce the level formed at the interface as much as possible. Therefore, it is desirable to use a single crystal or an epitaxially grown thin film as the semiconductor electrode and the ferroelectric film. Therefore, all of the MFS diodes known to date are made by using an oxide single crystal substrate such as strontium titanate or magnesium oxide, which is combined with a silicon semiconductor to produce a highly integrated semiconductor memory. Was impossible.

【0007】一方、強誘電体を使用した他の半導体デバ
イスとして、強誘電体ランダム・アクセス・メモリ(F
RAM)があげられる。このFRAMは、金属電極/強
誘電体膜/金属電極(MFM)キャパシタを電荷蓄積素
子として使用し、分極の反転が生じ得る抗電界以上の電
圧を印加した際の強誘電体膜の分極方向の差による電流
の違いをセンスアンプで検出する構造の半導体記憶装置
であり、やはり電源を切断した場合でも記憶内容の保持
が可能という大きな利点がある。
On the other hand, as another semiconductor device using a ferroelectric substance, a ferroelectric random access memory (F
RAM). This FRAM uses a metal electrode / ferroelectric film / metal electrode (MFM) capacitor as a charge storage element, and shows the polarization direction of the ferroelectric film when a voltage higher than a coercive electric field that can cause polarization reversal is applied. This is a semiconductor memory device having a structure in which a difference in current due to the difference is detected by a sense amplifier, and there is a great advantage that the stored contents can be retained even when the power is cut off.

【0008】しかしながら、原理上、書き込み及び読み
出しに伴い分極方向を反転させるため、反転回数が多く
なると疲労により強誘電体膜が劣化していき、記憶がで
きなくなるという欠点を有している。反転回数を減らす
ために、電源入力時には反転を生じない抗電界以下の電
圧で単なるキャパシタとして駆動するという、通常のD
RAMモードで使用することもできるが、この場合は蓄
積容量に対してキャパシタのリーク電流を減少させる必
要があるという、別の困難な問題が生じる。
However, in principle, since the polarization direction is reversed during writing and reading, the ferroelectric film deteriorates due to fatigue when the number of times of reversal increases, and there is a drawback that storage becomes impossible. In order to reduce the number of inversions, a normal D that is driven as a simple capacitor with a voltage below the coercive electric field that does not cause inversion at power input
Although it can be used in the RAM mode, in this case, another difficult problem arises in that it is necessary to reduce the leakage current of the capacitor with respect to the storage capacity.

【0009】また、最近の文献(Physical Review Lett
ers, Vol.73, No.15, pp.2107-2110)によると、2種類
の異なる金属電極で半導性強誘電体膜を挟んだMFM構
造を使用すると、金属と半導性強誘電体とのショットキ
ー接合における電流値が、半導性強誘電体の分極方向に
よって変化する現象が報告されている。この現象を図9
を用いて、以下に説明する。
In addition, recent literature (Physical Review Lett
ers, Vol.73, No.15, pp.2107-2110), using a MFM structure in which a semiconducting ferroelectric film is sandwiched between two different metal electrodes, the metal and the semiconducting ferroelectric are It has been reported that the current value in the Schottky junction with and changes with the polarization direction of the semiconducting ferroelectric. This phenomenon is shown in FIG.
Will be described below.

【0010】図9(a)のポテンシャルダイヤグラムに
示すような、仕事関数の異なる2種類の金属との2重シ
ョットキー接合(それぞれのショットキー障壁高さφM1
及びφM2)を持つ半導性強誘電体(n型半導体と仮定)
には、外部バイアス電圧が無い状態においてもφM1とφ
M2の差に相当するビルトインポテンシャルが加わる。従
って、このような半導性強誘電体の分極特性は、図9
(b)の分極P−電界E曲線に示すように、内部電界の
ために非対称になる。このためにバイアス電圧が0のと
きにおける残留分極の方向によって、P−E曲線の傾き
に相当する強誘電体の誘電率が異なる(ε1及びε
2)。
As shown in the potential diagram of FIG. 9A, a double Schottky junction with two kinds of metals having different work functions (each Schottky barrier height φM1
And φM2) semiconducting ferroelectric (assuming n-type semiconductor)
ΦM1 and φ even when there is no external bias voltage
A built-in potential equivalent to the difference of M2 is added. Therefore, the polarization characteristics of such a semiconducting ferroelectric are shown in FIG.
As shown in the polarization P-electric field E curve of (b), it becomes asymmetric due to the internal electric field. Therefore, the dielectric constant of the ferroelectric substance corresponding to the slope of the PE curve differs depending on the direction of the remanent polarization when the bias voltage is 0 (ε1 and ε).
2).

【0011】図9(a)に示した、ショットキー障壁の
半導性強誘電体側に生じるポテンシャルのプロファイル
は誘電率によって変化するため、残留分極方向によって
誘電率が変わると、実線及び破線で示すように空乏層の
厚さが変化する。従って、ショットキー障壁の厚さが薄
い場合に障壁を横切るトンネル電流が残留分極の方向に
より変化する。このショットキー障壁の特性の変化を利
用することにより、不揮発性メモリとして使用すること
ができる。
Since the potential profile generated on the semiconducting ferroelectric side of the Schottky barrier shown in FIG. 9A changes depending on the permittivity, when the permittivity changes depending on the remanent polarization direction, it is indicated by a solid line and a broken line. As described above, the thickness of the depletion layer changes. Therefore, when the Schottky barrier is thin, the tunnel current across the barrier changes depending on the direction of remanent polarization. By utilizing this change in the characteristics of the Schottky barrier, it can be used as a non-volatile memory.

【0012】しかしながら、分極方向によってショット
キー障壁の高さそのものは変化しないため、急峻なスイ
ッチ特性を得ることが難しいことや、またバイアス電圧
が0のときでも内部にビルトインポテンシャルが加わっ
ているために、ビルトインポテンシャルと逆方向に残留
分極が生じている場合は分極が失われやすいなどの欠点
がある。
However, since the height itself of the Schottky barrier does not change depending on the polarization direction, it is difficult to obtain a steep switch characteristic, and a built-in potential is added inside even when the bias voltage is 0. However, when remanent polarization occurs in the direction opposite to the built-in potential, there is a defect that the polarization is easily lost.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、強誘
電体膜をゲート酸化膜として使用するMFSトランジス
タ,MFSダイオード,MFM構造の電荷蓄積素子、さ
らにMFMのダブルショットキー構造など、様々な半導
体デバイスとしての構造が考えられているが、いずれも
特有の短所を抱えており、不揮発性半導体記憶装置とし
て利用する時の大きな問題点となってる。
As described above, various semiconductors such as the MFS transistor, the MFS diode, the charge storage device having the MFM structure, and the double Schottky structure of the MFM, which have conventionally used the ferroelectric film as the gate oxide film, have been used. Although the structure as a device is considered, each has a peculiar disadvantage, and becomes a big problem when using it as a non-volatile semiconductor memory device.

【0014】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、強誘電体と半導体との
ヘテロ接合を利用した新しいメモリセル構造を実現し、
記憶内容の不揮発性や読み出し時の非破壊特性を有する
と共に、小型で高集積化が可能な半導体記憶装置を提供
することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object thereof is to realize a new memory cell structure utilizing a heterojunction between a ferroelectric substance and a semiconductor,
An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device which has non-volatile memory contents and non-destructive characteristics at the time of reading, and is small in size and can be highly integrated.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、シリコ
ン基板上の絶縁層の上に、縦型の金属/強誘電体/半導
体(MFS)或いは半導体/強誘電体/半導体(SF
S)からなるメモリ作用を持つダイオードをエピタキシ
ャル成長により作成することにある。
The gist of the present invention is to provide a vertical metal / ferroelectric / semiconductor (MFS) or semiconductor / ferroelectric / semiconductor (SF) on an insulating layer on a silicon substrate.
The purpose is to produce a diode having a memory function consisting of S) by epitaxial growth.

【0016】即ち本発明は、少なくとも一方が半導体膜
からなる2つの電極で強誘電体膜を挟んだヘテロ接合構
造を有し、かつ該強誘電体膜の分極によりヘテロ接合に
流れる電流を制御するダイオードと、このダイオードに
接続されるスイッチング用トランジスタと、からメモリ
セルを構成した半導体記憶装置であって、前記スイッチ
ング用トランジスタが形成されたシリコン基板を覆う絶
縁層上に、該絶縁層の一部に設けた開口部から(10
0)配向シリコン層が成長され、この(100)配向シ
リコン層上に前記強誘電体膜がエピタキシャル成長され
てなることを特徴とする。
That is, the present invention has a heterojunction structure in which a ferroelectric film is sandwiched between two electrodes, at least one of which is a semiconductor film, and the current flowing through the heterojunction is controlled by polarization of the ferroelectric film. A semiconductor memory device comprising a memory cell including a diode and a switching transistor connected to the diode, wherein a part of the insulating layer is formed on an insulating layer covering a silicon substrate on which the switching transistor is formed. From the opening provided in (10
A 0) oriented silicon layer is grown, and the ferroelectric film is epitaxially grown on the (100) oriented silicon layer.

【0017】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 強誘電体膜を挟む2つの電極は、共に半導体である
こと。 (2) 半導体電極は、ペロブスカイト構造の物質からなる
こと。 (3) 強誘電体膜は、ペロブスカイト構造の物質からなる
こと。 (4) (100)配向シリコン層は単結晶シリコン層であ
ること。 (5) 単結晶シリコン層が、シリコン基板に対する選択成
長法でエピタキシャル成長したもの、或いはアモルファ
スシリコンの選択成長後にシリコン基板から固相成長さ
せて単結晶化したのであること。 (6) (100)配向シリコン層と強誘電体膜との間に、
バリア性の大きな金属又は絶縁膜を挟むこと。 (7) 強誘電体膜は、下地との格子不整合を利用して歪み
を導入したものであること。
The preferred embodiments of the present invention are as follows. (1) The two electrodes that sandwich the ferroelectric film must both be semiconductors. (2) The semiconductor electrode must be made of a material having a perovskite structure. (3) The ferroelectric film should be made of a material having a perovskite structure. (4) The (100) oriented silicon layer should be a single crystal silicon layer. (5) The single crystal silicon layer is epitaxially grown by a selective growth method on a silicon substrate, or is a single crystal formed by solid phase growth from a silicon substrate after selective growth of amorphous silicon. (6) Between the (100) oriented silicon layer and the ferroelectric film,
To sandwich a metal or insulating film with a large barrier property. (7) The ferroelectric film has strain introduced by utilizing lattice mismatch with the underlying layer.

【0018】[0018]

【作用】前述したように本発明では、シリコン基板上の
絶縁層の上に、縦型の金属/強誘電体/半導体(MF
S)或いは半導体/強誘電体/半導体(SFS)からな
るメモリ作用を持つダイオードをエピタキシャル成長に
より作成する。
As described above, in the present invention, the vertical metal / ferroelectric / semiconductor (MF) is formed on the insulating layer on the silicon substrate.
S) or a semiconductor / ferroelectric / semiconductor (SFS) diode having a memory function is formed by epitaxial growth.

【0019】即ち、集積回路用基板として使用されるシ
リコンの(100)面は正方形の格子配列であり、強誘
電体として知られる多くのペロブスカイト系化合物の
(100)面も同様に正方形の格子配列であることか
ら、シリコン(100)面上には直接或いは何らかの単
結晶バリア層を介してペロブスカイト結晶をエピタキシ
ャル成長させることが可能である。実際,文献(J.App.
Phys. Vol.74, No.2, pp.1366-75, 1933)によれば、S
i基板(100)面上にCaF2 の(100)面を介し
て、SrTiO3 の(100)と(110)のエピタキ
シャル層が混在した膜ができることが紹介されている。
That is, the (100) plane of silicon used as a substrate for integrated circuits has a square lattice arrangement, and the (100) plane of many perovskite compounds known as ferroelectrics likewise has a square lattice arrangement. Therefore, it is possible to epitaxially grow the perovskite crystal on the silicon (100) surface directly or through some single crystal barrier layer. In fact, the literature (J.App.
According to Phys. Vol.74, No.2, pp.1366-75, 1933), S
It is introduced that a film in which (100) and (110) epitaxial layers of SrTiO 3 are mixed is formed on the (100) surface of the i substrate via the (100) surface of CaF 2 .

【0020】しかしながら、実際にスイッチング用トラ
ンジスタを形成したシリコン基板とペロブスカイト系強
誘電体からなるダイオードを組み合わせる場合には、強
誘電体膜を構成する鉛,ビスマスなどの元素がトランジ
スタ中に拡散すると、スイッチング動作に悪影響を与え
るため、基板から絶縁層を介して分離した場所にダイオ
ードを作成する必要がある。一方、現在絶縁層として使
用されているものは、シリコンの酸化物や窒化物、さら
にそれらに燐やボロンなどを混入したもので、全てアモ
ルファス(非晶質)膜であり、従って絶縁層の上にエピ
タキシャル成長させた強誘電体膜からなるダイオードを
形成することは不可能である。
However, when a silicon substrate on which a switching transistor is actually formed and a diode made of a perovskite-based ferroelectric substance are combined, if elements such as lead and bismuth forming the ferroelectric film diffuse into the transistor, Since it adversely affects the switching operation, it is necessary to form a diode in a place separated from the substrate through an insulating layer. On the other hand, what is currently used as an insulating layer is a mixture of silicon oxides and nitrides and phosphorus and boron, which are all amorphous (non-crystalline) films. It is impossible to form a diode composed of a ferroelectric film epitaxially grown on the substrate.

【0021】そこで本発明においては、シリコン基板上
非晶質絶縁層の上に(100)配向シリコン層を形成す
るために、シリコンの選択成長技術を導入することを着
眼した。即ち、シリコン基板を覆う絶縁層の一部にコン
タクト孔を開口し、このコンタクト孔から(100)配
向シリコンを絶縁層の上まで成長することにより、(1
00)配向シリコン層を介して強誘電体膜をエピタキシ
ャル成長させることが可能になる。絶縁層の一部に開口
したコンタクト孔から(100)配向シリコン層を形成
するためには、絶縁層上に直接(100)配向シリコン
層を選択的にエピタキシャル成長させる方法や、絶縁層
上にアモルファスシリコン層を選択的に或いは直接的に
成長させ、その後アニールによりシリコン基板界面より
固相成長を生じさせて単結晶化させる方法などがあげら
れる。
Therefore, in the present invention, the inventors have focused on introducing a selective growth technique of silicon in order to form a (100) oriented silicon layer on an amorphous insulating layer on a silicon substrate. That is, a contact hole is opened in a part of the insulating layer covering the silicon substrate, and (100) oriented silicon is grown from this contact hole onto the insulating layer to obtain (1
The ferroelectric film can be epitaxially grown through the (00) oriented silicon layer. In order to form the (100) -oriented silicon layer from the contact hole opened in a part of the insulating layer, a method of selectively epitaxially growing the (100) -oriented silicon layer directly on the insulating layer, or an amorphous silicon on the insulating layer is used. There is a method in which a layer is selectively or directly grown, and then annealing is performed to cause solid phase growth from the interface of the silicon substrate to single crystallize.

【0022】なお本発明では、このとき亜結晶粒界を含
まない単結晶シリコン層を選択成長させる必要があるわ
けではなく、その上に誘電体膜をエピタキシャル成長さ
せることが可能である程度に(100)配向しているも
のであれば、亜結晶粒界等を含んでいても構わない。具
体的には、エピタキシャル成長した誘電体膜が、θ−2
θ法によるX線回折測定で(100)及びその倍数に相
当するピークが(110),(211),(111)等
のピークに対し5倍以上、好ましくは10倍以上の強度
を示す程度に(100)配向していればよい。さらに、
誘電体膜のX線回折測定による(200)ピークのロッ
キングカーブの半値幅が2°以下、さらには1°以下で
あることが好ましい。
In the present invention, it is not necessary at this time to selectively grow a single crystal silicon layer containing no sub-grain boundaries, but to a certain extent a dielectric film can be epitaxially grown thereon (100). A sub-grain boundary or the like may be included as long as it is oriented. Specifically, when the epitaxially grown dielectric film is θ-2,
In the X-ray diffraction measurement by the θ method, the peaks corresponding to (100) and its multiples are 5 times or more, preferably 10 times or more, as high as the peaks of (110), (211), (111), etc. It only has to be (100) oriented. further,
The half-width of the rocking curve of the (200) peak measured by X-ray diffraction of the dielectric film is preferably 2 ° or less, more preferably 1 ° or less.

【0023】また、成長させたシリコン層と強誘電体膜
の間の相互拡散を避けるために、これらの間にバリア性
の大きい金属膜や絶縁膜を挟むことが望ましい。バリア
性金属膜としては、シリコンとほぼ格子整合するニッケ
ルやコバルトなどの珪化物、チタンやタングステンなど
の窒化物があげられる。珪化物の場合は、単結晶シリコ
ン層の上面をコバルトやニッケルなどと反応させて珪化
物層を形成することもできる。また、バリア性絶縁膜と
しては、同様にシリコンとほぼ格子整合するカルシウム
などの弗化物やセリウム,マグネシウムなどの酸化物が
あげられる。
Further, in order to avoid mutual diffusion between the grown silicon layer and the ferroelectric film, it is desirable to sandwich a metal film or an insulating film having a large barrier property therebetween. Examples of the barrier metal film include silicides such as nickel and cobalt which are substantially lattice-matched with silicon, and nitrides such as titanium and tungsten. In the case of silicide, the upper surface of the single crystal silicon layer may be reacted with cobalt, nickel or the like to form the silicide layer. Examples of the barrier insulating film include fluoride such as calcium and oxides such as cerium and magnesium which are substantially lattice-matched with silicon.

【0024】さらに、誘電体をエピタキシャル成長させ
ることの大きな利点として、エピタキシャル成長時に基
板との格子不整合を利用して誘電体に歪みを導入し、常
誘電体を強誘電体化することができる点である。この技
術を使用すれば、強誘電体に必須な、低融点で拡散しや
すい鉛やビスマス、或いはナトリウムやカリウムなどを
使用しない強誘電体膜が実現できる。
Further, a great advantage of epitaxially growing a dielectric is that strain can be introduced into the dielectric by utilizing lattice mismatch with the substrate at the time of epitaxial growth so that the paraelectric can be made ferroelectric. is there. By using this technique, it is possible to realize a ferroelectric film that does not use lead or bismuth, which has a low melting point and is easily diffused, or sodium or potassium, which is essential for a ferroelectric substance.

【0025】本発明者らの研究によれば、MgO基板
(100)面上に白金電極層を介してエピタキシャル成
長した(BaSr)TiO3 誘電体膜においては、常誘
電体が強誘電体に転移するキュリー温度が200℃以上
高くなる現象が見られると共に、蓄積電荷量も20%〜
200%ほど増大するという現象が見られた。この原因
として、Pt(100)面間隔より(BaSr)TiO
3 (100)面間隔が僅かに大きいことから、(BaS
r)TiO3 がPt上にエピタキシャル成長した際に、
面内方向に圧縮され、面と垂直方向には伸ばされる方向
の残留弾性歪みが存在しており、この残留歪みが強誘電
性を誘起していることが明らかになった。
According to the research conducted by the present inventors, in the (BaSr) TiO 3 dielectric film epitaxially grown on the MgO substrate (100) surface via the platinum electrode layer, the paraelectric substance is transformed into the ferroelectric substance. A phenomenon in which the Curie temperature rises by 200 ° C or more is seen, and the accumulated charge amount is 20% or more.
It was observed that the phenomenon increased by about 200%. The cause is (BaSr) TiO 2 from the Pt (100) plane spacing.
3 Since the (100) plane spacing is slightly larger, (BaS
r) When TiO 3 is epitaxially grown on Pt,
It was revealed that there is residual elastic strain in the direction of in-plane compression and extension in the direction perpendicular to the plane, and this residual strain induces ferroelectricity.

【0026】そこで、MgO基板の代わりに、上記の選
択成長(100)配向シリコン層を下地として用い、エ
ピタキシャル成長したバリア層を適宜介して、誘電体の
格子定数より僅かに小さいエピタキシャル成長下地電極
の上に(BaSr)TiO3などの誘電体層をエピタキ
シャル成長させる。これにより、強誘電性を生じさせる
のに必要な鉛やビスマスを使用せずに強誘電体膜を形成
することができる。
Therefore, instead of the MgO substrate, the above selectively grown (100) -oriented silicon layer is used as a base, and an epitaxially grown barrier layer is appropriately placed on the epitaxial growth base electrode slightly smaller than the lattice constant of the dielectric. A dielectric layer such as (BaSr) TiO 3 is epitaxially grown. As a result, the ferroelectric film can be formed without using the lead or bismuth necessary for producing the ferroelectricity.

【0027】この歪み誘起強誘電体膜を使用して、強誘
電体/半導体接合を持つダイオードを作成するには、誘
電体の格子定数より僅かに小さいエピタキシャル半導体
電極の上に(BaSr)TiO3 誘電体層などをエピタ
キシャル成長させ、さらに半導体ないしは金属上部電極
を積層させる方法と、誘電体の格子定数より僅かに小さ
いエピタキシャル金属電極の上に(BaSr)TiO3
誘電体層などをエピタキシャル成長させ、さらに半導体
層を積層させる方法の2種類がある。
Using this strain inducing ferroelectric film to make a diode with a ferroelectric / semiconductor junction, (BaSr) TiO 3 is deposited on an epitaxial semiconductor electrode slightly smaller than the lattice constant of the dielectric. A method of epitaxially growing a dielectric layer or the like and further stacking a semiconductor or metal upper electrode, and (BaSr) TiO 3 on an epitaxial metal electrode slightly smaller than the lattice constant of the dielectric
There are two methods: a method of epitaxially growing a dielectric layer and the like, and a method of stacking a semiconductor layer.

【0028】前者の方法の例では、(BaSr)TiO
3 誘電体膜より僅かに小さい格子定数を持つ半導体層を
選択する必要があり、これにはペロブスカイト構造を持
つ酸化物半導体、具体的にはNbやLaをドープしたS
rTiO3 結晶などを使用することができる。
In the example of the former method, (BaSr) TiO 3 is used.
3 It is necessary to select a semiconductor layer having a lattice constant slightly smaller than that of the dielectric film. For this, an oxide semiconductor having a perovskite structure, specifically, S doped with Nb or La is used.
A rTiO 3 crystal or the like can be used.

【0029】後者の方法の例では、下地金属電極とし
て、(BaSr)TiO3 誘電体膜より僅かに小さい格
子定数を持つ白金や白金の合金を使用することができ、
さらに半導体上部電極としては、上記のペロブスカイト
構造を持つ酸化物半導体の他、低温成長させた非晶質シ
リコンや多結晶シリコンなどの半導体も使用することが
できる。
In the example of the latter method, platinum or an alloy of platinum having a lattice constant slightly smaller than that of the (BaSr) TiO 3 dielectric film can be used as the base metal electrode,
Further, as the semiconductor upper electrode, in addition to the above oxide semiconductor having the perovskite structure, a semiconductor such as amorphous silicon or polycrystalline silicon grown at low temperature can be used.

【0030】ここで、強誘電体/半導体接合を使用した
メモリ作用を持つダイオードの動作機構について、以下
図7に従って説明する。いま、図7(a)のようにn型
の半導体A,B及び強誘電体を考える。ここでは説明の
都合上、半導体A,Bは同じ材料であり、強誘電体は絶
縁性であるとする。また、強誘電体の誘電率は半導体A
ないしはBとほぼ同程度とする。
Here, the operation mechanism of the diode having a memory function using the ferroelectric / semiconductor junction will be described below with reference to FIG. Now, consider the n-type semiconductors A and B and the ferroelectric substance as shown in FIG. Here, for convenience of description, it is assumed that the semiconductors A and B are made of the same material and the ferroelectric substance is insulative. Further, the dielectric constant of the ferroelectric substance is the semiconductor A
Or, it is almost the same as B.

【0031】そして、(b)に示すように、半導体A/
強誘電体/半導体Bのダブルヘテロ接合を形成する。こ
こで、強誘電体に正方向(c)或いは逆方向(d)に分
極を生じさせ(実際には、正或いは負方向にバイアス電
圧を印加し分極させて電圧を0に戻す)、“0”或いは
“1”の書き込みを行う。このとき、分極電荷に対応し
て接合の半導体側に反対符号の電荷が誘起され、半導体
中には空乏層或いは電荷蓄積層の形成に伴うバンドの曲
りを、強誘電体中には均一な電界を生じる。
Then, as shown in (b), the semiconductor A /
A ferroelectric / semiconductor B double heterojunction is formed. Here, polarization is generated in the ferroelectric substance in the positive direction (c) or the reverse direction (d) (actually, a bias voltage is applied in the positive or negative direction to polarize the ferroelectric substance to return the voltage to 0), and "0 Or "1" is written. At this time, charges of opposite signs are induced on the semiconductor side of the junction corresponding to the polarization charges, causing band bending in the semiconductor due to formation of a depletion layer or charge storage layer, and uniform electric field in the ferroelectric. Cause

【0032】この状態で、分極方向と正或いは逆方向に
分極が反転しない程度のバイアス電圧を加えて読み出し
動作を行うと((e)或いは(f))、分極の向きによ
って半導体Aと強誘電体の間に形成されている障壁の高
さが異なるので、分極“0”或いは“1”の状態に応じ
て、半導体Aから強誘電体内に電子が注入されない状態
“OFF”、或いは注入される状態“ON”となり、電
流の有無によって非破壊読出しが可能になる。さらに、
抗電圧を越える電圧を加えると(g)、逆方向に分極し
ていた強誘電体も反転分極するため、“1”の分極状態
に再書き込みされる。
In this state, when a read operation is performed by applying a bias voltage to the extent that the polarization is not inverted in the positive or reverse direction ((e) or (f)), the semiconductor A and the ferroelectric are changed depending on the polarization direction. Since the heights of the barriers formed between the bodies are different, depending on the state of polarization "0" or "1", electrons are not injected from the semiconductor A into the ferroelectric body "OFF" or are injected. The state becomes "ON", and nondestructive read becomes possible depending on the presence or absence of current. further,
When a voltage exceeding the coercive voltage is applied (g), the ferroelectric substance, which has been polarized in the opposite direction, is also inverted-polarized, so that the polarization state of "1" is rewritten.

【0033】従って、このように半導体/強誘電体/半
導体構造を形成すると、分極が反転しない電圧範囲では
分極の向きにより接合の中を流れる電流を制御すること
が可能で、さらに電圧を加えることにより分極の向きを
制御することが可能な、ダイオード素子を作成すること
ができる。しかも、上述したようにダイオード素子を対
称的な構造にすれば、いわゆるダイオード特性の向きを
残留分極によって反転することが可能になり、極性可変
型ダイオードを作成することができる。
Therefore, when the semiconductor / ferroelectric / semiconductor structure is formed in this manner, the current flowing through the junction can be controlled by the direction of polarization in the voltage range in which the polarization does not invert, and further voltage is applied. Thus, a diode element capable of controlling the polarization direction can be manufactured. Moreover, if the diode element has a symmetrical structure as described above, the direction of so-called diode characteristics can be inverted by remanent polarization, and a variable polarity diode can be manufactured.

【0034】なお、半導体/強誘電体のヘテロ接合を使
用した素子の特性においては、上述した例は一例であ
り、半導体や強誘電体の導電型(キャリア濃度,p型/
n型)、仕事関数、誘電率などによって界面に形成され
る障壁の高さや内部電界が異なるため、様々なバリエー
ションが可能である。
In the characteristics of the element using the semiconductor / ferroelectric heterojunction, the above-mentioned example is an example, and the conductivity type of semiconductor or ferroelectric (carrier concentration, p-type /
Since the height of the barrier formed at the interface and the internal electric field differ depending on the n-type), work function, dielectric constant, etc., various variations are possible.

【0035】上述したように、本発明の原理に基づくダ
イオードは強誘電体/半導体接合の障壁の高さが強誘電
体の分極の方向によって変わることを利用するものであ
るから、少なくとも1箇所の強誘電体/半導体接合を含
む必要がある。即ち、半導体/強誘電体/半導体の構成
か、半導体/強誘電体/金属の構成である。ここで、強
誘電体として絶縁性のものや半導性のものを使うことが
できる。
As described above, the diode based on the principle of the present invention utilizes the fact that the height of the barrier of the ferroelectric / semiconductor junction changes depending on the polarization direction of the ferroelectric. It must include a ferroelectric / semiconductor junction. That is, a semiconductor / ferroelectric / semiconductor structure or a semiconductor / ferroelectric / metal structure. Here, an insulating material or a semiconductive material can be used as the ferroelectric material.

【0036】また、強誘電体/半導体の接合界面に生じ
る界面準位をなるべく減少させるため、できれば双方と
も同じ結晶系の材料、例えばペロブスカイト系の強誘電
体と半導体などの組み合わせを用い、さらにエピタキシ
ャル成長した単結晶ないし配向膜とすることが望まし
い。
Further, in order to reduce the interface level generated at the ferroelectric / semiconductor junction interface as much as possible, both are preferably made of the same crystalline material, for example, a combination of a perovskite ferroelectric material and a semiconductor material, and further epitaxially grown. It is desirable to use a single crystal or an oriented film.

【0037】また、本発明のダイオードは強誘電体/半
導体のヘテロ接合の障壁の高さを利用するものであるか
ら、強誘電体/半導体界面における界面方向の伝導特性
の変化を利用した前述のMFS−FET素子などより
も、界面に形成される種々の準位の影響を軽減できると
いう、非常に大きな実用上の利点がある。
Further, since the diode of the present invention utilizes the height of the barrier of the ferroelectric / semiconductor heterojunction, the above-mentioned change utilizing the conduction characteristic in the interface direction at the ferroelectric / semiconductor interface is used. There is a great practical advantage that the influence of various levels formed at the interface can be reduced as compared with the MFS-FET device and the like.

【0038】本発明にかかるダイオードは、上述したよ
うに集積回路の中に組み込むことにより、大きな威力を
発揮することができる。即ち、予めスイッチング用トラ
ンジスタを形成した半導体基板上に、金属/強誘電体/
半導体或いは半導体/強誘電体/半導体を積層したダイ
オードを形成し、1トランジスタと1ダイオードを組み
合わせて記憶単位として、強誘電体の抗電圧以上の電圧
印加により書き込み、抗電圧以下の電圧により読み出し
動作を行えば、不揮発性かつ非破壊読み出しが可能なメ
モリセルを作成することができる。
The diode according to the present invention can exert great power by being incorporated in an integrated circuit as described above. That is, on a semiconductor substrate on which switching transistors are formed in advance, metal / ferroelectric /
A semiconductor or a semiconductor / ferroelectric / semiconductor stacked diode is formed, and one transistor and one diode are combined to form a memory unit, and writing is performed by applying a voltage above the coercive voltage of the ferroelectric, and read operation is performed at a voltage below the coercive voltage By doing so, it is possible to create a non-volatile and non-destructive read-out memory cell.

【0039】また、ダイオードとしては、半導体/強誘
電体/半導体(SFS)接合と、金属/強誘電体/半導
体(MFS)接合の2種類が使用され得るが、特にSF
Sを使用すると極性可変型ダイオードを作成することが
できるので、結果として正電圧と負電圧の両方で読み出
しを行うことが可能となる。従って、正負交互に電圧を
かけることで、読み出し時の電圧印加による記憶保持性
に与える悪影響を回避することが可能である。
As the diode, two types of semiconductor / ferroelectric / semiconductor (SFS) junction and metal / ferroelectric / semiconductor (MFS) junction can be used.
By using S, a variable polarity diode can be created, and as a result, reading can be performed with both a positive voltage and a negative voltage. Therefore, by alternately applying positive and negative voltages, it is possible to avoid the adverse effect on the memory retention due to the voltage application at the time of reading.

【0040】このように本発明によれば、シリコン基板
上に作成した強誘電体と半導体とのヘテロ接合を利用し
た新しいダイオードを使用することにより、記憶内容の
不揮発性や読み出し時の非破壊性を有すると共に、小型
で高集積化が可能な半導体記憶装置の実現が可能とな
る。
As described above, according to the present invention, by using the new diode utilizing the heterojunction of the ferroelectric and the semiconductor formed on the silicon substrate, the non-destructiveness of the stored contents and the non-destructiveness at the time of reading are In addition to the above, it is possible to realize a small-sized semiconductor memory device that can be highly integrated.

【0041】[0041]

【実施例】以下、本発明を図示の実施例によって説明す
る。 (実施例1)図1は、本発明の第1の実施例に係わるS
FSダイオードを用いた不揮発性半導体記憶装置を示す
素子構造断面図である。スイッチング用の1個のMOS
−FETと、SFS構造の極性可変型ダイオードとを組
み合わせて、不揮発性のメモリセルを構成している。な
お、図では1セル部分を示しているが、メモリセルは通
常のDRAMと同様にマトリックス状に複数個配置され
ている。また、これらのメモリセルからなるメモリセル
アレイに隣接してセンスアンプなどが形成されるものと
なっている。
The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. (Embodiment 1) FIG. 1 shows an S according to a first embodiment of the present invention.
It is an element structure sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device using an FS diode. One MOS for switching
A nonvolatile memory cell is configured by combining the -FET and the variable polarity diode of the SFS structure. Although one cell portion is shown in the drawing, a plurality of memory cells are arranged in a matrix like a normal DRAM. Further, a sense amplifier or the like is formed adjacent to the memory cell array composed of these memory cells.

【0042】本実施例装置の製造方法について、図2の
工程断面図を参照して説明する。図2(a)はメモリセ
ルのトランジスタ部及びビット線を形成した後、平坦化
用の絶縁層9及び研磨停止層10を形成した状態であ
る。図中1は面方位(100)のp型単結晶Si基板、
2は素子分離酸化膜、3はゲート酸化膜、4はポリSi
などからなるゲート電極(ワード線)、5,7は層間絶
縁膜、6はn型のソース・ドレイン領域、8はビット線
であり、これらは一般的なDRAMの製造と同様にして
形成される。絶縁層9を平坦化するためにエッチバック
法を用いても良いし、またCMP法などを用いても良
い。研磨停止層10としては、酸化アルミニウムなどの
絶縁膜を用いることができる。
A method of manufacturing the device of this embodiment will be described with reference to the process sectional views of FIGS. FIG. 2A shows a state where the insulating layer 9 for planarization and the polishing stopper layer 10 are formed after the transistor portion and the bit line of the memory cell are formed. In the figure, 1 is a p-type single crystal Si substrate having a plane orientation (100),
2 is an element isolation oxide film, 3 is a gate oxide film, 4 is poly-Si
Gate electrodes (word lines) made of, for example, 5 and 7 are interlayer insulating films, 6 is an n-type source / drain region, and 8 is a bit line, and these are formed in the same manner as in general DRAM manufacturing. . An etch back method may be used to planarize the insulating layer 9, or a CMP method or the like may be used. As the polishing stopper layer 10, an insulating film such as aluminum oxide can be used.

【0043】次いで、図2(b)に示すように、公知の
フォトリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、S
FSダイオード形成用の浅いトレンチ部及びソース領域
6へのコンタクトホールを形成し、選択成長技術により
アモルファスSi層12を形成した。成膜技術として
は、ジシラン及びジボランを原料ガスとしたLPCVD
法により、成長温度450℃でアモルファスSi層12
を単結晶Si基板1に対して選択的に成長させた。その
後、フォーミングガス中で600℃の熱処理により、S
i基板界面から固相成長により単結晶Siを成長させ、
アモルファスSi層12を全て単結晶化した。
Then, as shown in FIG. 2B, S is formed by known photolithography and plasma etching.
A shallow trench portion for forming the FS diode and a contact hole to the source region 6 were formed, and an amorphous Si layer 12 was formed by a selective growth technique. As a film forming technique, LPCVD using disilane and diborane as raw material gases
Amorphous silicon layer 12 at a growth temperature of 450 ° C.
Was selectively grown on the single crystal Si substrate 1. Then, heat treatment at 600 ° C. in forming gas is performed to remove S.
growing single crystal Si from the i substrate interface by solid phase growth,
The amorphous Si layer 12 was entirely made into a single crystal.

【0044】次いで、図2(c)に示すように、CMP
ないしは機械的研磨により研磨停止層10上に形成され
ている単結晶Siを除去し、単結晶Siのコンタクト1
1及び単結晶Si層17を形成した。その後、図2
(d)に示すように、マグネトロン・スパッタ装置を使
用して公知の方法により、バリア性金属膜として厚さ4
00nmのTiN膜18を形成し、リソグラフィ及び反
応性イオンエッチングによりプレート電極に加工した。
このとき、単結晶Si層17上に成長したTiN膜のプ
レート電極18はエピタキシャル成長している。
Then, as shown in FIG. 2C, CMP is performed.
Alternatively, the single crystal Si formed on the polishing stopper layer 10 is removed by mechanical polishing, and the contact 1 of the single crystal Si is formed.
1 and a single crystal Si layer 17 were formed. After that, Figure 2
As shown in (d), a barrier metal film having a thickness of 4 is formed by a known method using a magnetron sputtering apparatus.
A TiN film 18 having a thickness of 00 nm was formed and processed into a plate electrode by lithography and reactive ion etching.
At this time, the plate electrode 18 of the TiN film grown on the single crystal Si layer 17 is epitaxially grown.

【0045】次いで、TiN膜のプレート電極18上
に、マグネトロン・スパッタ装置を使用し、アルゴンと
酸素の混合雰囲気中基板温度200℃で、5%のランタ
ンを含むSrTiO3 (STO)焼結体ターゲットを用
いて、厚さ200nmのn型半導体であるランタン・ド
ープのSTO薄膜(下部電極)13を形成した。さら
に、ジルコン・チタン酸鉛(Pb(Zn0.5 Ti0.5
3 、以降PZTと略称)焼結体ターゲットを用いて厚
さ300nmのPZT薄膜(強誘電体膜)16を形成
し、再び厚さ200nmのn型半導体であるランタン・
ドープのSTO薄膜(上部電極)15を形成した。
Next, on the plate electrode 18 of the TiN film, a magnetron sputtering apparatus was used and a SrTiO 3 (STO) sintered body target containing 5% lanthanum was used at a substrate temperature of 200 ° C. in a mixed atmosphere of argon and oxygen. Was used to form a lanthanum-doped STO thin film (lower electrode) 13 which is an n-type semiconductor having a thickness of 200 nm. Furthermore, zircon / lead titanate (Pb (Zn 0.5 Ti 0.5 ))
A PZT thin film (ferroelectric film) 16 having a thickness of 300 nm is formed by using a sintered body target of O 3 , which will be abbreviated as PZT hereinafter, and lanthanum, which is an n-type semiconductor having a thickness of 200 nm, is formed again.
A doped STO thin film (upper electrode) 15 was formed.

【0046】そして、リソグラフィ及びアンモニア水,
過酸化水素水,EDTAの混合溶液を用いた湿式エッチ
ングにより、SFSダイオード素子に加工した。その
後、赤外線ランプアニール装置を使用して窒素中で70
0℃で1分間の熱処理により、ランタン・ドープのST
O薄膜13及びPZT薄膜16を固相成長によりエピタ
キシャル膜化した。
Then, lithography and ammonia water,
The SFS diode element was processed by wet etching using a mixed solution of hydrogen peroxide solution and EDTA. Then, using an infrared lamp anneal device, it is 70 in nitrogen.
By heat treatment at 0 ℃ for 1 minute, lanthanum-doped ST
The O thin film 13 and the PZT thin film 16 were formed into epitaxial films by solid phase growth.

【0047】なお、ここで得られた強誘電体膜16につ
いて、θ−2θ法によるX線回折測定を行った結果、
(100)及びその倍数に相当するピークのみが観察さ
れ、(110),(211),(111)等に対応する
ピークは観測されなかった。
The ferroelectric film 16 obtained here was subjected to X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method.
Only peaks corresponding to (100) and its multiples were observed, and peaks corresponding to (110), (211), (111), etc. were not observed.

【0048】次いで、図2(e)に示すように、平坦化
絶縁膜19を形成し、表面をCMP法ないしはエッチバ
ック法により平坦化した。その後、図2(f)に示すよ
うに、フォトリソグラフィ及びプラズマエッチングによ
り単結晶Siのコンタクト11及びSFSダイオードの
上部電極15とのコンタクトホールを開口し、アルミニ
ウム配線20を形成した。
Next, as shown in FIG. 2 (e), a flattening insulating film 19 was formed, and the surface was flattened by the CMP method or the etch back method. After that, as shown in FIG. 2F, a contact hole with the contact 11 of single crystal Si and the upper electrode 15 of the SFS diode was opened by photolithography and plasma etching to form an aluminum wiring 20.

【0049】本実施例のように、MOS−FETとSF
Sダイオードからなるメモリセルを使用すれば、ワード
線4とビット線8により選択されたMOS−FETを通
してSFSダイオードにPZT強誘電体膜16の抗電界
以上の電圧を印加することによって、正或いは負方向に
分極させて1ビットの情報を書き込むことが可能にな
る。一方、同様にSFSダイオードに抗電界以下の適当
な電圧を印加すると、分極方向により読み出し電流に1
桁以上の大きな差が生じるために、書き込まれた情報を
非破壊で読み出すことができる。 (実施例2)図3は、本発明の第2の実施例に係わるM
FSダイオードを用いた不揮発性半導体記憶装置を示す
素子構造断面図である。なお、図1と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。
As in this embodiment, the MOS-FET and SF
If a memory cell composed of an S diode is used, by applying a voltage higher than the coercive electric field of the PZT ferroelectric film 16 to the SFS diode through the MOS-FET selected by the word line 4 and the bit line 8, a positive or negative voltage is applied. It becomes possible to write 1-bit information by polarization in the direction. On the other hand, similarly, when an appropriate voltage below the coercive electric field is applied to the SFS diode, the read current becomes 1 depending on the polarization direction.
Since there is a large difference of one digit or more, written information can be read nondestructively. (Embodiment 2) FIG. 3 shows an M according to a second embodiment of the present invention.
It is an element structure sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device using an FS diode. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0050】本実施例が先に説明した第1の実施例と異
なる点は、強誘電体であるPZTの代わりに、エピタキ
シャル成長させた時に生じる不整合歪みを利用して歪み
誘起強誘電体膜を形成したことにある。即ち、エピタキ
シャルバリア金属22,エピタキシャル半導体下部電極
23,エピタキシャル歪み誘起強誘電体膜26,上部電
極25からMFSダイオードが形成されている。
The difference of this embodiment from the first embodiment described above is that instead of PZT which is a ferroelectric substance, a strain induced ferroelectric film is formed by utilizing the mismatch strain generated during epitaxial growth. It has been formed. That is, the MFS diode is formed from the epitaxial barrier metal 22, the epitaxial semiconductor lower electrode 23, the epitaxial strain inducing ferroelectric film 26, and the upper electrode 25.

【0051】本実施例の製造方法について、図4の工程
断面図を参照して説明する。図4(a)までは第1の実
施例と実質的に同様であり、メモリセルのトランジスタ
部及びビット線8、さらに平坦化用の絶縁層9及び研磨
停止層10を形成したところである。
The manufacturing method of this embodiment will be described with reference to the process sectional views of FIGS. The process up to FIG. 4A is substantially the same as that of the first embodiment, and the transistor portion of the memory cell and the bit line 8, the insulating layer 9 for planarization and the polishing stopper layer 10 are formed.

【0052】次いで、図4(b)に示すように、公知の
フォトリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、ソ
ース領域6へのコンタクトホールとMFSダイオード形
成用の浅いトレンチ部を同じ位置に形成し、選択成長技
術により単結晶Siのコンタクトプラグ11を形成し
た。コンタクトプラグ11は、アモルファスSiを固相
成長により単結晶化するのではなく、選択成長技術によ
り単結晶Siをコンタクトホールに直接成長させてい
る。
Next, as shown in FIG. 4B, a contact hole to the source region 6 and a shallow trench portion for forming the MFS diode are formed at the same position by known photolithography and plasma etching, and the selective growth technique is used. Thus, the contact plug 11 of single crystal Si was formed. The contact plug 11 does not single-crystallize amorphous Si by solid phase growth, but directly grows single-crystal Si in a contact hole by a selective growth technique.

【0053】次いで、図4(c)に示すように、CMP
ないしは機械的研磨により研磨停止層10上に形成され
ている単結晶Siを除去し、さらにフォトリソグラフィ
及びイオンエッチングにより研磨停止層10の下部より
低い位置まで単結晶Siを除去した。その後、図4
(d)に示すように、バリア金属22として反応性スパ
ッタ法により600℃でTiN薄膜をエピタキシャル成
長させた。引き続き、半導体下部電極23となるニオブ
・ドープ(5at%)のSTO薄膜をスパッタ法により6
00℃でエピタキシャル成長させた。
Then, as shown in FIG. 4C, CMP is performed.
Alternatively, the single crystal Si formed on the polishing stopper layer 10 was removed by mechanical polishing, and the single crystal Si was removed to a position lower than the lower portion of the polishing stopper layer 10 by photolithography and ion etching. After that, FIG.
As shown in (d), a TiN thin film was epitaxially grown as a barrier metal 22 at 600 ° C. by the reactive sputtering method. Subsequently, a STO thin film of niobium-doped (5 at%) to be the semiconductor lower electrode 23 is formed by sputtering.
It was epitaxially grown at 00 ° C.

【0054】次いで、図4(e)に示すように、再びC
MP法により研磨停止層10上に形成されているバリア
金属22及び半導体下部電極23を除去した。その後、
図4(f)に示すように、Ba0.5 Sr0.5 TiO3
膜(強誘電体膜)26を半導体下部電極23上にエピタ
キシャル成長させ、下部電極23との不整合歪により歪
み誘起強誘電性を付加し、さらにニッケル上部電極25
を順次形成した。
Then, as shown in FIG.
The barrier metal 22 and the semiconductor lower electrode 23 formed on the polishing stopper layer 10 were removed by the MP method. afterwards,
As shown in FIG. 4 (f), a Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 thin film (ferroelectric film) 26 is epitaxially grown on the semiconductor lower electrode 23, and strain-induced ferroelectricity is added by a mismatch strain with the lower electrode 23. The nickel upper electrode 25
Were sequentially formed.

【0055】なお、ここで得られた強誘電体膜26につ
いて、θ−2θ法によるX線回折測定を行った結果、
(100)及びその倍数に相当するピークのみが観察さ
れ、(110),(211),(111)等に対応する
ピークは観測されなかった。
The ferroelectric film 26 obtained here was subjected to X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method.
Only peaks corresponding to (100) and its multiples were observed, and peaks corresponding to (110), (211), (111), etc. were not observed.

【0056】このような構成であれば、MOS−FET
とMFSダイオードからメモリセルが構成され、第1の
実施例と同様の効果が得られる。しかも、誘電体膜のエ
ピタキシャル成長時に下地との格子不整合を利用して歪
みを導入し、常誘電体を強誘電体化しているので、低融
点で拡散しやすい鉛やビスマス、或いはナトリウムやカ
リウムなどを使用しない強誘電体膜が実現できる。 (実施例3)図5は、本発明の第3の実施例に係わるM
FSダイオードを用いた不揮発性半導体記憶装置を示す
素子構造断面図である。なお、図1と同一部分には同一
符号を付して、その詳しい説明は省略する。
With such a structure, the MOS-FET is
A memory cell is composed of the MFS diode and, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Moreover, when the dielectric film is epitaxially grown, strain is introduced by utilizing the lattice mismatch with the base to make the paraelectric material ferroelectric, so that lead or bismuth, which has a low melting point and easily diffuses, or sodium or potassium, etc. A ferroelectric film without using can be realized. (Embodiment 3) FIG. 5 shows an M according to a third embodiment of the present invention.
It is an element structure sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device using an FS diode. The same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0057】本実施例が先に説明した第2の実施例と異
なる点は、下部電極を金属、上部電極を半導体としたこ
とである。即ち、エピタキシャルバリア金属(単結晶ニ
ッケルシリサイド層)32,白金薄膜の下部電極33,
エピタキシャル歪み誘起強誘電体膜36,半導体上部電
極35からMSFダイオードが形成されている。
The difference between this embodiment and the second embodiment described above is that the lower electrode is a metal and the upper electrode is a semiconductor. That is, an epitaxial barrier metal (single crystal nickel silicide layer) 32, a platinum thin film lower electrode 33,
An MSF diode is formed from the epitaxial strain inducing ferroelectric film 36 and the semiconductor upper electrode 35.

【0058】本実施例の製造方法について、図6の工程
断面図を参照して説明する。図6(a)までは第1の実
施例と実質的に同様であり、メモリセルのトランジスタ
部及びビット線8、さらに平坦化用の絶縁層9及び研磨
停止層10を形成したところである。
The manufacturing method of this embodiment will be described with reference to the process sectional views of FIGS. The process up to FIG. 6A is substantially the same as that of the first embodiment, and the transistor portion of the memory cell and the bit line 8, the insulating layer 9 for planarization, and the polishing stopper layer 10 are just formed.

【0059】次いで、図6(b)に示すように、公知の
フォトリソグラフィ及びプラズマエッチングにより、研
磨停止層10の開口部に引き続きソース領域6へのコン
タクトホールを形成し、選択成長技術により単結晶Si
のコンタクトプラグ11を形成した。即ちコンタクトプ
ラグ11として、ジクロルシランを原料ガスとしたLP
CVD法により、成長温度820℃で単結晶Siを選択
的に埋め込んだ。
Next, as shown in FIG. 6B, a contact hole to the source region 6 is continuously formed in the opening of the polishing stopper layer 10 by known photolithography and plasma etching, and the single crystal is formed by the selective growth technique. Si
The contact plug 11 was formed. That is, as the contact plug 11, LP using dichlorosilane as a raw material gas
Single crystal Si was selectively embedded at a growth temperature of 820 ° C. by the CVD method.

【0060】次いで、図6(c)に示すように、CMP
ないしは機械的研磨により研磨停止層10上に形成され
ている単結晶Siを除去し、ニッケルの薄膜31をスパ
ッタ法により形成した。その後、図6(d)に示すよう
に、フォーミングガス中で500℃の熱処理により単結
晶Si層の表面をニッケルと反応させて、バリア金属と
なる単結晶ニッケルシリサイド層32を形成し、再びC
MP法により研磨停止層10上に形成されているニッケ
ル薄膜31を除去した。
Then, as shown in FIG. 6C, CMP is performed.
Alternatively, the single crystal Si formed on the polishing stopper layer 10 is removed by mechanical polishing, and the nickel thin film 31 is formed by the sputtering method. After that, as shown in FIG. 6D, the surface of the single crystal Si layer is reacted with nickel by heat treatment at 500 ° C. in a forming gas to form a single crystal nickel silicide layer 32 as a barrier metal.
The nickel thin film 31 formed on the polishing stopper layer 10 was removed by the MP method.

【0061】次いで、図6(e)に示すように、フォト
リソグラフィ及びプラズマエッチングにより、ニッケル
シリサイド層32を研磨停止層10の上面よりも低い位
置まで除去した後、下部電極33となる白金の薄膜をス
パッタ法により形成した。
Next, as shown in FIG. 6E, the nickel silicide layer 32 is removed to a position lower than the upper surface of the polishing stopper layer 10 by photolithography and plasma etching, and then a platinum thin film to be the lower electrode 33 is formed. Was formed by a sputtering method.

【0062】次いで、図6(f)に示すように、再びC
MP法により研磨停止層10上に形成されている白金薄
膜を除去した後、(BaSr)TiO3 歪み誘起強誘電
体膜36を形成した。この強誘電体膜36の形成には、
公知のマグネトロンスパッタ法により600℃でエピタ
キシャル成長させた。さらに、強誘電体膜36の上に、
非晶質Si半導体上部電極35を形成した。この上部電
極35は、モノシラン及びフォスフィンを原料ガスとし
てプラズマCVD法により、成長温度300℃で成膜し
た。
Then, as shown in FIG. 6 (f), C
After removing the platinum thin film formed on the polishing stopper layer 10 by the MP method, the (BaSr) TiO 3 strain-induced ferroelectric film 36 was formed. To form the ferroelectric film 36,
It was epitaxially grown at 600 ° C. by a known magnetron sputtering method. Furthermore, on the ferroelectric film 36,
An amorphous Si semiconductor upper electrode 35 was formed. The upper electrode 35 was formed at a growth temperature of 300 ° C. by a plasma CVD method using monosilane and phosphine as source gases.

【0063】なお、ここで得られた強誘電体膜36につ
いて、θ−2θ法によるX線回折測定を行った結果、
(100)及びその倍数に相当するピークのみが観察さ
れ、(110),(211),(111)等に対応する
ピークは観測されなかった。
The ferroelectric film 36 obtained here was subjected to X-ray diffraction measurement by the θ-2θ method.
Only peaks corresponding to (100) and its multiples were observed, and peaks corresponding to (110), (211), (111), etc. were not observed.

【0064】このような構成であれば、MOS−FET
とMFSダイオードからメモリセルが構成され、さらに
誘電体膜のエピタキシャル成長時に下地との格子不整合
を利用して歪みを導入し、常誘電体を強誘電体化してい
るので、第2の実施例と同様の効果が得られる。なお、
本発明は上述した各実施例に限定されるものではなく、
その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施するこ
とができる。
With such a structure, the MOS-FET is
Since the memory cell is composed of the MFS diode and the MFS diode, and strain is introduced by utilizing the lattice mismatch with the base during epitaxial growth of the dielectric film to make the paraelectric material ferroelectric, The same effect can be obtained. In addition,
The present invention is not limited to the above embodiments,
Various modifications can be implemented without departing from the gist of the invention.

【0065】[0065]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、S
i基板の上に強誘電体と半導体とのヘテロ接合を利用し
たメモリセルを作成することができ、記憶内容の不揮発
性や読み出し時の非破壊性を有する小型の高集積化半導
体記憶装置を実現することが可能になり、本発明の工業
的価値は極めて大きい。
As described above in detail, according to the present invention, S
It is possible to create a memory cell that uses a heterojunction of a ferroelectric and a semiconductor on an i substrate, and realize a small highly integrated semiconductor memory device that has nonvolatility of stored contents and nondestructiveness at the time of reading. The industrial value of the present invention is extremely high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1の実施例に係わるSFSダイオードを利用
した不揮発性半導体記憶装置を示す素子構造断面図。
FIG. 1 is a sectional view of an element structure showing a nonvolatile semiconductor memory device using an SFS diode according to a first embodiment.

【図2】第1の実施例に係わる不揮発性半導体記憶装置
の製造工程を示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device in accordance with the first embodiment.

【図3】第2の実施例に係わるMFSダイオードを利用
した不揮発性半導体記憶装置を示す素子構造断面図。
FIG. 3 is an element structure cross-sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device using an MFS diode according to a second embodiment.

【図4】第2の実施例に係わる不揮発性半導体記憶装置
の製造工程を示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device in accordance with the second embodiment.

【図5】第3の実施例に係わるMFSダイオードを利用
した不揮発性半導体記憶装置を示す素子構造断面図。
FIG. 5 is an element structure cross-sectional view showing a nonvolatile semiconductor memory device using an MFS diode according to a third embodiment.

【図6】第3の実施例に係わる不揮発性半導体記憶装置
の製造工程を示す断面図。
FIG. 6 is a sectional view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device in accordance with the third embodiment.

【図7】本発明に係わるSFSダイオードの動作原理
図。
FIG. 7 is an operation principle diagram of an SFS diode according to the present invention.

【図8】従来のMFS−FETの模式断面図。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a conventional MFS-FET.

【図9】公知のMFM積層構造素子の動作原理図。FIG. 9 is an operation principle diagram of a known MFM laminated structure element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…単結晶Si基板 2…素子分離酸化膜 3…ゲート酸化膜 4…ゲート電極(ワード線) 5,7…層間絶縁膜 6…ソース・ドレイン領域 8…ビット線 9,19…平坦化用絶縁膜 10…研磨停止層 11…単結晶シリコンコンタクト 13,23…STO薄膜(下部電極) 15…STO薄膜(上部電極) 16…PZT薄膜(強誘電体膜) 17…単結晶シリコン層 18…TiN膜(プレート電極) 22…TiN膜(バリア金属) 25…ニッケル層(上部電極) 26,36…(BaSr)TiO3 歪み誘起強誘電体膜 31…ニッケル薄膜 32…ニッケルシリサイド層(バリア金属) 33…白金薄膜(下部電極) 35…非晶質Si半導体層(上部電極)1 ... Single crystal Si substrate 2 ... Element isolation oxide film 3 ... Gate oxide film 4 ... Gate electrode (word line) 5, 7 ... Interlayer insulating film 6 ... Source / drain region 8 ... Bit line 9, 19 ... Insulation for planarization Film 10 ... Polishing stop layer 11 ... Single crystal silicon contact 13, 23 ... STO thin film (lower electrode) 15 ... STO thin film (upper electrode) 16 ... PZT thin film (ferroelectric film) 17 ... Single crystal silicon layer 18 ... TiN film (Plate electrode) 22 ... TiN film (barrier metal) 25 ... Nickel layer (upper electrode) 26, 36 ... (BaSr) TiO 3 strain induction ferroelectric film 31 ... Nickel thin film 32 ... Nickel silicide layer (barrier metal) 33 ... Platinum thin film (lower electrode) 35 ... Amorphous Si semiconductor layer (upper electrode)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも一方が半導体膜からなる2つの
電極で強誘電体膜を挟んだヘテロ接合構造を有し、かつ
該強誘電体膜の分極によりヘテロ接合に流れる電流を制
御するダイオードと、このダイオードに接続されるスイ
ッチング用トランジスタと、からメモリセルを構成した
半導体記憶装置であって、 前記スイッチング用トランジスタが形成されたシリコン
基板を覆う絶縁層上に、該絶縁層の一部に設けた開口部
から(100)配向シリコン層が成長され、この(10
0)配向シリコン層上に前記強誘電体膜がエピタキシャ
ル成長されてなることを特徴とする半導体記憶装置。
1. A diode having a heterojunction structure in which a ferroelectric film is sandwiched between two electrodes, at least one of which is a semiconductor film, and the current flowing through the heterojunction is controlled by polarization of the ferroelectric film. A semiconductor memory device comprising a switching transistor connected to the diode and a memory cell, the semiconductor memory device being provided on a part of the insulating layer covering an insulating layer covering a silicon substrate on which the switching transistor is formed. A (100) -oriented silicon layer is grown from the opening, and this (10)
0) A semiconductor memory device characterized in that the ferroelectric film is epitaxially grown on an oriented silicon layer.
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