JPH09213899A - Non-volatile memory device provided with ferroelectric film - Google Patents

Non-volatile memory device provided with ferroelectric film

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JPH09213899A
JPH09213899A JP8044158A JP4415896A JPH09213899A JP H09213899 A JPH09213899 A JP H09213899A JP 8044158 A JP8044158 A JP 8044158A JP 4415896 A JP4415896 A JP 4415896A JP H09213899 A JPH09213899 A JP H09213899A
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film
ferroelectric
ferroelectric film
capacitor
memory device
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Hisami Okuwada
久美 奥和田
Hiroshi Nozawa
博 野沢
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-volatile memory (FRAM) which is formed from a ferroelectric film that is new in composition, free from Pb and Bi, and enhanced in reliability and degree of integration. SOLUTION: A ferroelectric film 12 is formed on a ferroelectric device of MFM(metal-ferroelectric-metal) structure or a field effect ferroelectric device of MFS(metal-ferroelectric-silicon) structure or MFIS(metal-ferroelectric-insulator- silicon) structure on a semiconductor substrate 1. The ferroelectric film 12 (F) is formed of solid solution of M12 (M2X, Ta1- X)2 O7 structure, wherein M1 is at least one element selected from Sr, Ca, La, and Nd, M2 denotes at least one element out of Nb and Ti, and X is so set as to satisfy a formula, 0.1<=x<=0.5. When X is set smaller than 0.1, the solid solution is not able to have a Curie point higher than a room temperature and large in crystal anisotropy, and when X is set larger than 0.5, the solid solution can be formed.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体膜を用い
た不揮発性メモリ装置に関し、とくに強誘電体膜の材料
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nonvolatile memory device using a ferroelectric film, and more particularly to a material for the ferroelectric film.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体膜は、電界が印加された時に一
旦発生した電気分極がこの電界が印加されなくなっても
残留し、前記電界とは反対方向の向きにある程度以上の
強さの電界が印加された時に分極の向きが反転する特性
を有している。この強誘電体膜の分極の向きが反転する
分極特性に着目し、メモリセルの情報記憶用キャパシタ
の誘電体膜に強誘電体を用いて不揮発性の強誘電体メモ
リセルを実現する技術が開発されている。強誘電体膜の
強誘電性を利用した不揮発性メモリは、低消費電力の汎
用不揮発メモリのほか、非接触カード(RFID:Radi
o Frequency Identification)などへの応用があり期待
されている。この不揮発性メモリには、MFM(金属−
強誘電体−金属)構造をMOSトランジスタ上に構成す
るタイプが実用化されている。また、究極の非破壊メモ
リになる電界効果型素子としては、MFS(金属−強誘
電体−シリコン)構造又はMFMIS(金属−強誘電体
−金属−絶縁体−シリコン)構造又はMFIS(金属−
強誘電体−絶縁体−シリコン)構造の電界効果型強誘電
体素子が提案されている。これらの素子では金属Mの代
わりに導電性酸化物が用いられることもある。
2. Description of the Related Art In a ferroelectric film, electric polarization once generated when an electric field is applied remains even when the electric field is not applied, and an electric field having a certain strength or more in a direction opposite to the electric field. Has the characteristic that the direction of polarization is inverted when is applied. Focusing on the polarization characteristics that the direction of polarization of this ferroelectric film is reversed, a technology has been developed to realize a nonvolatile ferroelectric memory cell by using a ferroelectric material for the dielectric film of the information storage capacitor of the memory cell. Has been done. The non-volatile memory that utilizes the ferroelectricity of the ferroelectric film is a general-purpose non-volatile memory with low power consumption, as well as a contactless card (RFID: Radio).
o Frequency Identification) and other applications are expected. This non-volatile memory includes MFM (metal-
A type in which a ferroelectric-metal) structure is formed on a MOS transistor has been put into practical use. Further, as the field-effect element that becomes the ultimate nondestructive memory, an MFS (metal-ferroelectric-silicon) structure, an MFMIS (metal-ferroelectric-metal-insulator-silicon) structure, or an MFIS (metal-metal) structure is used.
A field effect ferroelectric element having a ferroelectric-insulator-silicon structure has been proposed. In these elements, a conductive oxide may be used instead of the metal M.

【0003】これらの強誘電体膜において、強誘電体と
しては、PZT(Pb(Zr,Ti)03 )、PLZT
((Pb,La)(Zr,Ti)03 )、PLT((P
b,La)Ti03 )などのPbを含有する強誘電体あ
るいはBiを含有する層状化合物のSrBi2 Ta2
9 が知られている。
In these ferroelectric films, PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) and PLZT are used as the ferroelectric substance.
((Pb, La) (Zr , Ti) 0 3), PLT ((P
b, La) Ti0 3) SrBi 2 Ta 2 0 layered compound containing a ferroelectric or Bi containing Pb, such as
9 is known.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら強誘電
体における製造上の大きな問題点は、PbやBiの電極
及びシリコンへの拡散や熱工程における蒸発である。こ
れらの元素は融点が低く蒸気圧が高いのでスパッタリン
グやCVDの膜形成プロセスにおいて、他の元素成分と
の組成比を制御することが大変難しい。蒸発元素は、M
OS構造などの他の層を汚染するばかりでなく、ミスト
となってチャンバーや熱処理炉内でのパーティクルの原
因になり、素子の量産性を著しく低下させる。また、こ
れらの元素は熱処理時に電極あるいはその他の層へ拡散
することによって、メモリの誤動作やコンタクト抵抗あ
るいは配線抵抗の増加を招くため、厚いパッシベーショ
ン膜による隔離が必要であり、素子の高集積化をはかる
上での大きな障害となっている。さらに、製造上の問題
のみならず組成が化学量論比からずれることによって格
子欠陥や酸素空孔を生じ、その結果、強誘電体膜の疲労
特性が大幅に低下する原因になっている。本発明は、こ
のような事情によりなされたものであり、PbやBiを
含まない強誘電体膜によって信頼性の高い高集積化され
た不揮発性メモリを提供する。
However, a major problem in manufacturing these ferroelectrics is the diffusion of Pb and Bi into the electrodes and silicon, and the evaporation in the heat step. Since these elements have low melting points and high vapor pressures, it is very difficult to control the composition ratio with other elemental components in the film forming process such as sputtering or CVD. Evaporating element is M
Not only does it contaminate other layers such as the OS structure, but it also becomes a mist and causes particles in the chamber and heat treatment furnace, which significantly reduces the mass productivity of the device. Further, since these elements diffuse into the electrode or other layers during heat treatment, which causes memory malfunction and increase in contact resistance or wiring resistance, isolation with a thick passivation film is necessary, and high integration of elements is required. It is a big obstacle in measuring. Furthermore, not only manufacturing problems but also composition deviation from the stoichiometric ratio causes lattice defects and oxygen vacancies, which results in a large decrease in fatigue characteristics of the ferroelectric film. The present invention has been made under such circumstances, and provides a highly integrated non-volatile memory with high reliability by a ferroelectric film containing no Pb or Bi.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、MFM構造の
強誘電体素子或いはMFS構造又はMFMIS構造やM
FIS構造の電界効果型強誘電体素子において、強誘電
体膜Fが、M12 (M2、Ta1-x2 7 構造を持
つことを特徴とする。ただし、M1がSr、Ca、L
a、Ndのうちの少なくとも1つの元素、M2がNb、
Tiのうち少なくとも1つの元素であり、0.1≦x≦
0.5であることを特徴とする。本発明の強誘電体膜
は、M12 M22 7 とM12 Ta2 7 の固溶体から
なる。これら二つの系は、それぞれ室温で強誘電体(キ
ュリー点(Tc)=1342℃)と常誘電体(キュリー
点(Tc)=−107℃)であり、図6及び図7に示す
ように、いづれも酸素八面体が低密度層に挟まれた構造
をしている。両者の違いは、層間の酸素八面体がねじれ
た構造を取っているか否かである。キュリー点以下での
誘電体構造では、このねじれが強誘電性の発現に寄与し
ている。
The present invention is directed to a ferroelectric element having an MFM structure, an MFS structure, an MFMIS structure, or an M structure.
The FIS structure field effect ferroelectric element is characterized in that the ferroelectric film F has an M1 2 (M2 x , Ta 1-x ) 2 O 7 structure. However, M1 is Sr, Ca, L
at least one element of a and Nd, M2 is Nb,
At least one element of Ti, 0.1 ≦ x ≦
0.5. The ferroelectric film of the present invention comprises a solid solution of M1 2 M2 2 O 7 and M1 2 Ta 2 O 7 . These two systems are a ferroelectric substance (Curie point (Tc) = 1342 ° C.) and a paraelectric substance (Curie point (Tc) = − 107 ° C.) at room temperature, and as shown in FIGS. 6 and 7, Each has a structure in which oxygen octahedra are sandwiched between low-density layers. The difference between the two is whether or not the oxygen octahedron between layers has a twisted structure. In the dielectric structure below the Curie point, this twist contributes to the development of ferroelectricity.

【0006】このうち常温で強誘電性を持つM12 M2
2 7 構造の物質は、強誘電体メモリ用の薄膜材料とし
ては次の2つの問題点を有する。1つは、キュリー点が
室温よりはるかに高い1000℃以上にあり、室温で分
極させるには大きな電圧が必要なこと、もう1つはねじ
れ構造のために結晶異方性が強く、薄膜化すると分極困
難軸に配向する傾向があるので大きな残留分極が得られ
ないことである。これら2つの問題点を解決すべく、発
明者は、この固溶系において、室温で5V以下の実用的
な低電圧領域で、大きな残留分極が得られる強誘電体膜
が得られることを見出だした。これは、キュリー点の低
いM12 Ta2 7 構造の固溶によりキュリー点を90
0℃以下にすることができ、分極が容易な温度領域とす
ることができること、また、M12 M22 7 構造に比
較して結晶異方性が非常に小さいM12 Ta2 7 構造
の固溶により、無配向膜あるいは分極容易軸を多く含む
膜を形成できることによる。この強誘電体膜を構成する
固溶体は、M12 (M2、Ta1-x2 7 なる組成
を有しているが、xが0.1より小さい場合は室温より
高い温度領域でキュリー点を持つことができず、結晶異
方性も大きい。また、xが0.5より大きい場合は固溶
体が形成されない。
Of these, M1 2 M2 having ferroelectricity at room temperature
The 2 O 7 structure material has the following two problems as a thin film material for a ferroelectric memory. One is that the Curie point is 1000 ° C or higher, which is much higher than room temperature, and a large voltage is required for polarization at room temperature. This is because a large remanent polarization cannot be obtained because it tends to be oriented on the axis of difficult polarization. In order to solve these two problems, the inventor found that in this solid solution system, a ferroelectric film capable of obtaining a large remanent polarization can be obtained in a practical low voltage region of 5 V or less at room temperature. . This is because the solid solution of the M1 2 Ta 2 O 7 structure having a low Curie point causes the Curie point to be 90.
0 ℃ can be below, the polarization that can be easily temperature range, also, M1 2 M2 crystalline anisotropy as compared to the 2 O 7 structure is very small M1 2 Ta 2 O 7 structure This is because it is possible to form a non-oriented film or a film containing many axes of easy polarization by solid solution. The solid solution forming this ferroelectric film has a composition of M1 2 (M2 x , Ta 1-x ) 2 O 7, but when x is smaller than 0.1, it is Curie in a temperature range higher than room temperature. It cannot have dots and has large crystal anisotropy. Further, if x is larger than 0.5, no solid solution is formed.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。強誘電体膜は、電界が印加された時
に一旦発生した電気分極は上記電界が印加されなくなっ
ても残留し、上記電界とは反対方向の向きにある程度以
上の強さの電界が印加された時に分極の向きが反転する
特性を有している。本発明は、この誘電体の分極の向き
が反転する分極特性に着目し、メモリセルの情報記憶用
のキャパシタの絶縁膜に強誘電体を用いて不揮発性の強
誘電体メモリセルを実現しており、その強誘電体膜は、
M12 M22 7 とM12 Ta2 7 との固溶体からな
り、とくに、M12 M22 7 は、この固溶体の10〜
50モル%を占めていることを特徴としている。M1
は、Sr、Ca、La、Ndの少なくも1つの元素であ
り、M2は、Nb及びTiの少なくとも1つの元素であ
る。図5は、1トランジスタ・1キャパシタ構成の強誘
電体メモリセルの等価回路を示しており、これは、DR
AMセルの等価回路と同じ回路接続を有する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the ferroelectric film, the electric polarization once generated when an electric field is applied remains even when the electric field is no longer applied, and when an electric field of a certain strength or more is applied in the direction opposite to the electric field. It has the property of reversing the direction of polarization. The present invention pays attention to the polarization characteristic in which the direction of polarization of this dielectric is inverted, and realizes a nonvolatile ferroelectric memory cell by using a ferroelectric for an insulating film of a capacitor for storing information of the memory cell. The ferroelectric film is
It is composed of a solid solution of M1 2 M2 2 O 7 and M1 2 Ta 2 O 7, and in particular, M1 2 M2 2 O 7 contains 10 to 10% of the solid solution.
It is characterized by occupying 50 mol%. M1
Is at least one element of Sr, Ca, La, and Nd, and M2 is at least one element of Nb and Ti. FIG. 5 shows an equivalent circuit of a ferroelectric memory cell having a one-transistor / one-capacitor configuration.
It has the same circuit connection as the equivalent circuit of the AM cell.

【0008】ここで、Cはペロブスカイト構造を有する
強誘電体を電極間絶縁膜に用いた情報記録用のキャパシ
タ10、Qはこのキャパシタに直列に接続されている電
荷転送用のMOSトランジスタ20、WLはこのMOS
トランジスタのゲートに接続されているワード線、BL
はMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の一方に
接続されているビット線、PLは上記キャパシタの一端
(プレート)に接続されているプレート線、VPLはプ
レート線電圧である。強誘電体膜を半導体デバイスに用
いる方式は(1)絶縁膜として強誘電体を用いるM(金
属)−F(強誘電体)−S(半導体)構造又はMFI
S、MFMIS構造の電界効果型トランジスタ(MFS
FET)として利用する場合と、(2)強誘電体を蓄積
容量として利用する場合(その高誘電率を利用し単に常
誘電体として用いる場合を除く)の2方法が考えられ
る。本発明はいづれかを強誘電体メモリ(FRAM;Fe
rroelectric Random Access Memory)、すなわち強誘電
体膜を用いた不揮発性メモリ装置として用いる。FRA
Mは、いくつかの方式が提案されている。容量の比較的
小さいメモリでは、2トランジスタ2キャパシタ(2T
/2C)セルでもよいが、チップコストをDRAM並み
に近づけるためには1トランジスタ1強誘電体キャパシ
タ(1T/lC)セルを用いた動作方式が有利である。
図1はメモリセルの断面構造である。
Here, C is an information recording capacitor 10 using a ferroelectric material having a perovskite structure as an inter-electrode insulating film, and Q is a MOS transistor 20 for charge transfer, WL connected in series to this capacitor. Is this MOS
The word line connected to the gate of the transistor, BL
Is a bit line connected to one of the source / drain regions of the MOS transistor, PL is a plate line connected to one end (plate) of the capacitor, and VPL is a plate line voltage. The method of using a ferroelectric film for a semiconductor device is (1) M (metal) -F (ferroelectric) -S (semiconductor) structure or MFI using a ferroelectric as an insulating film.
Field effect transistor of S, MFMIS structure (MFS
There are two methods, one is for use as a FET) and the other is (2) when a ferroelectric is used as a storage capacitor (excluding the case where the ferroelectric is used as a paraelectric). The present invention is based on the ferroelectric memory (FRAM; Fe
rroelectric Random Access Memory), that is, a non-volatile memory device using a ferroelectric film. FRA
Several schemes have been proposed for M. In a memory having a relatively small capacity, a 2-transistor 2-capacitor (2T
/ 2C) cell may be used, but in order to bring the chip cost close to that of a DRAM, an operation method using one transistor / one ferroelectric capacitor (1T / lC) cell is advantageous.
FIG. 1 is a sectional structure of a memory cell.

【0009】不揮発性メモリにおいて、キャパシタ絶縁
膜を形成後、各メモリセルのキャパシタとして微細加工
する必要がある。強誘電体膜の加工技術としては、ウェ
ットエッチング、イオンミリング、イオンビームエッチ
ング、レーザエッチング、プラズマエッチング、ECR
エッチングなどが知られている。とくにプラズマエッチ
ングは、プラズマ放電により高いエネルギーを得て活性
化された反応種が、蒸気圧の高い反応生成物を形成しエ
ッチングが進行するため貴金属電極を用いても微細加工
が可能である。シリコンプロセスに適用する場合、強誘
電体膜に用いる電極材料として要求される特徴は、
(1)耐酸化性にすぐれているか、導電性酸化物であ
る。(2)強誘電体膜との整合性が良い。(3)シリコ
ンや強誘電体膜に対して相互拡散がないなどにある。P
t又はIrは耐酸化性にすぐれた電極であり、強誘電体
膜との整合性も良い。しかし、付着力には問題がある。
このため、Pt又はIrとシリコン基板界面にTi、T
a、IrO2 などの介在層を形成して用いるのが望まし
い。窒化物TiNやZrNなども利用が可能である。例
えば、MFM構造では、キャパシタ構造は下から順にC
MOS/BPSG層/下部電極(チタン又はチタンナイ
トライド/プラチナ)/強誘電体膜/上部電極(プラチ
ナ/チタンナイトライド/アルミニウム)となる。
In a non-volatile memory, after forming a capacitor insulating film, it is necessary to perform fine processing as a capacitor of each memory cell. Wet etching, ion milling, ion beam etching, laser etching, plasma etching, ECR
Etching and the like are known. Particularly in plasma etching, the reactive species activated by obtaining high energy by plasma discharge form a reaction product having a high vapor pressure and the etching proceeds, so that fine processing can be performed even using a noble metal electrode. When applied to the silicon process, the characteristics required as the electrode material used for the ferroelectric film are:
(1) It has excellent oxidation resistance or is a conductive oxide. (2) Good compatibility with the ferroelectric film. (3) There is no mutual diffusion with respect to silicon and the ferroelectric film. P
t or Ir is an electrode having excellent oxidation resistance, and has good compatibility with the ferroelectric film. However, there are problems with adhesion.
For this reason, Ti, T is formed at the interface between Pt or Ir and the silicon substrate.
It is desirable to form and use an intervening layer of a, IrO 2 or the like. Nitride TiN, ZrN, etc. can also be used. For example, in the MFM structure, the capacitor structure is C in order from the bottom.
MOS / BPSG layer / lower electrode (titanium or titanium nitride / platinum) / ferroelectric film / upper electrode (platinum / titanium nitride / aluminum).

【0010】本発明の不揮発性メモリの「データ」の不
揮発性は、強誘電体膜のヒステリシスを有する分極特性
を利用し、無電界(E=0)状態でも正負2つの残留分
極に対応した2値の情報を記憶できることによる。DR
AMのようにリフレッシュサイクルが不要という特徴も
ある。本発明の不揮発性メモリの「データ書き込み・消
去の高速性」は、外部電圧印加による強誘電体の分極反
転速度(スイッチング速度)が低電界でもl0nsec
以下と高速であることによる。これは、高電界(107
V/cmオーダー)下で絶縁膜へのホットキャリアの注
入・引き抜きにより書き込み・消去動作(μsecオー
ダーの動作時間)を行うEEPROMより有利である。
強誘電体膜の形成にあたって、単相膜で目的とする組成
比からずれない、結晶性が良くバルク体と同等或いはそ
れ以上の特性を示す、膜厚のコントロールが容易であ
る、などを注意することが必要である。強誘電体膜の代
表的成膜法として、図9に示すゾルゲル又はMOD法、
スパッタ法、MOCVD法があり、これらの概要を述べ
る。ゾルゲル法又はMOD法は、有機金属化合物などを
ソース原料とする溶液をディッピングやスピンコートに
より基板上に塗布し、それを熱分解して得る方法であ
る。これは、大気中でも成膜が可能で、膜の大面積化が
容易である。
The non-volatility of the "data" of the non-volatile memory of the present invention utilizes the polarization characteristic of the ferroelectric film having hysteresis, and corresponds to two remanent polarizations of positive and negative even in the no electric field (E = 0) state. Because it can store value information. DR
It also has a feature that a refresh cycle is not required like AM. The “high speed of data writing / erasing” of the nonvolatile memory of the present invention is 10 nsec even if the polarization reversal speed (switching speed) of the ferroelectric substance by applying an external voltage is low.
Because it is faster than the following. This is due to the high electric field (10 7
This is more advantageous than an EEPROM that performs a write / erase operation (operation time on the order of μsec) by injecting / drawing out hot carriers from the insulating film under V / cm order).
When forming a ferroelectric film, be careful that the composition ratio of the single-phase film does not deviate from the intended composition ratio, that the crystallinity is good and that the characteristics are equal to or better than those of the bulk body, and that the film thickness is easy to control. It is necessary. As a typical film forming method of the ferroelectric film, the sol-gel or MOD method shown in FIG.
There are a sputtering method and a MOCVD method, and their outline will be described. The sol-gel method or the MOD method is a method in which a solution using an organic metal compound or the like as a source material is applied to a substrate by dipping or spin coating, and the solution is thermally decomposed. This enables film formation even in the air, and makes it easy to increase the area of the film.

【0011】スパッタ法は、薄膜となるべき材料のター
ゲットに、グロー放電中でイオン化したガス(Arガス
など)を衝突させて叩き出した粒子を基板に堆積させる
方法であり、真空蒸着法では作りにくい高融点材料など
の膜形成が可能である。この成膜法には直流スパッタ、
高周波(RF)スパッタ、マグネトロンスパッタ、イオ
ンビームスパッタ、反応性スパッタ、レーザアブレーシ
ョンなどがある。ターゲットとしては焼結体又は粉末を
用い、アルゴンと酸素雰囲気でスパッタする。ターゲッ
トの近傍にマグネットを置くと、スパッタイオンはその
磁場に拘束され、低ガス圧(〜10-4Torr)でスパ
ッタが可能になり、膜成長速度を数倍高めることにな
る。強誘電体膜の微細構造と特性は、スパッタ条件(ス
パッタ電圧、ガス組成とガス圧、膜形成速度、基板材
料、基板温度など)に依存する。CVDの基本は、薄膜
にしたい元素の化合物のうちでガスになるものを高温炉
の中に導入して、基板表面に堆積させて膜形成すること
にあり、これにより基板表面で平衡状態で成膜されるた
め、より均質な結晶膜が得られる可能性がある。MOC
VDは、原料としてアセチルアセトナトやアルコキシド
などの有機金属から強誘電体膜が形成されている。
The sputtering method is a method in which an ionized gas (Ar gas or the like) in a glow discharge is made to collide with a target made of a material to be a thin film, and the knocked-out particles are deposited on the substrate. It is possible to form a film such as a difficult high melting point material. For this film formation method, DC sputtering,
There are radio frequency (RF) sputtering, magnetron sputtering, ion beam sputtering, reactive sputtering, laser ablation, and the like. A sintered body or powder is used as a target, and sputtering is performed in an atmosphere of argon and oxygen. When a magnet is placed in the vicinity of the target, sputtered ions are confined to the magnetic field and sputter can be performed with a low gas pressure ( -10 -4 Torr), which increases the film growth rate several times. The fine structure and characteristics of the ferroelectric film depend on the sputtering conditions (sputtering voltage, gas composition and gas pressure, film forming rate, substrate material, substrate temperature, etc.). The basis of CVD is to introduce a compound of an element to be formed into a thin film into a high-temperature furnace and deposit it on the surface of the substrate to form a film, thereby forming an equilibrium state on the surface of the substrate. Since the film is formed, a more uniform crystal film may be obtained. MOC
The VD has a ferroelectric film formed from an organic metal such as acetylacetonate or alkoxide as a raw material.

【0012】次に、本発明の、例えば、2トランジスタ
・2キャパシタ型FRAMセルとその動作原理を示す。
図10及び図11は、図4のメモリセルを2個用いた2
トランジスタ、2キャパシタ構成の強誘電体メモリセル
の書き込み動作及び読み出し動作の原理を説明をするた
めに、強誘電体キャパシタの印加電界、電気分極の状態
を示している。この強誘電体メモリセルは、ゲートにそ
れぞれワード線WLが接続された第1のトランジスタQ
1及び第2のトランジスタQ2と、プレートにそれぞれ
プレート線PLが接続された第1のキャパシタC1及び
第2のキャパシタC2とからなり、第1のトランジスタ
Q1及び第1のキャパシタC1が直列に接続され、第2
のトランジスタQ2及び第2のキャパシタC2が直列に
接続されている。そして、第1のトランジスタQ1及び
第2のトランジスタQ2の各一端は第1のビット線BL
1及び第2のビット線BL2に接続されている。ワード
線WL及びプレート線PLは平行に設けられており、ワ
ード線WLはワード線用のロウデコーダ(図示せず)か
らワード線信号が供給され、プレート線PLはプレート
デコーダ(図示せず)からプレート線電圧VPLが供給さ
れる。この場合、全てのプレート線PLが共通に接続さ
れているのではなく、DRAMのようにプレート線PL
に所定電位(例えばVss/2)が印加されるのとは異な
る点である。
Next, for example, a 2-transistor / 2-capacitor type FRAM cell of the present invention and its operating principle will be described.
10 and FIG. 11 show a case where two memory cells of FIG. 4 are used.
In order to explain the principle of the write operation and the read operation of the ferroelectric memory cell having the transistor and the two-capacitor structure, the applied electric field and electric polarization state of the ferroelectric capacitor are shown. This ferroelectric memory cell has a first transistor Q whose gate is connected to a word line WL.
The first and second transistors Q1 and C2 are composed of a first capacitor C1 and a second capacitor C2 whose plate lines PL are connected to the plates, respectively, and the first and second transistors Q1 and C1 are connected in series. , Second
The transistor Q2 and the second capacitor C2 are connected in series. Then, one end of each of the first transistor Q1 and the second transistor Q2 is connected to the first bit line BL.
It is connected to the first and second bit lines BL2. The word line WL and the plate line PL are provided in parallel, the word line WL is supplied with a word line signal from a row decoder (not shown) for the word line, and the plate line PL is supplied from a plate decoder (not shown). The plate line voltage VPL is supplied. In this case, not all the plate lines PL are connected in common, but the plate lines PL like DRAMs.
This is different from the case where a predetermined potential (for example, Vss / 2) is applied to.

【0013】また、2本のビット線BL1、BL2に
は、ビット線電位センス増幅用のセンスアンプ(図示せ
ず)、書き込み回路(図示せず)及びプリチャージ回路
(図示せず)が接続されている。強誘電体メモリセルに
対するデータの書き込み、読み出しに際しては、選択さ
れたメモリセルのプレート線PLの電位を、例えば、0
V〜5V〜0Vと変化させることにより、誘電分極の向
きを制御する。即ち、書き込み動作に際しては、初期状
態では、プレート線PLを接地電位Vss(0V)に設定
し、2本のビット線ビット線BL1、BL2をそれぞれ
0Vにプリチャージしておく。まず、2本のビット線B
L1、BL2のうちの一方(例えば第2のビット線BL
2)を例えば5Vに設定し、ワード線WLに5Vを印加
して2このトランジスタQ1、Q2をオンの状態にする
と、第2のキャパシタC2の両端間に電位差が生じて例
えば図中下向きの分極が発生するが、第1のキャパシタ
C1の分極は発生しない(図10(a))。次に、プレ
ート線PLを5Vに設定すると、第1のキャパシタC1
の両端間に電位差が生じ、図中上向きの分極が発生する
が、第2のキャパシタC2の分極は反転しない。これに
より、2個のキャパシタC1、C2に図示したように互
いに逆向きの分極が発生した状態になり、この状態はデ
ータ“1”または“0”の書き込み状態に対応する(図
10(b))。
A sense amplifier (not shown) for bit line potential sense amplification, a write circuit (not shown) and a precharge circuit (not shown) are connected to the two bit lines BL1 and BL2. ing. When writing or reading data to or from the ferroelectric memory cell, the potential of the plate line PL of the selected memory cell is set to 0, for example.
The direction of dielectric polarization is controlled by changing the voltage from V to 5V to 0V. That is, in the write operation, in the initial state, the plate line PL is set to the ground potential Vss (0V), and the two bit line bit lines BL1 and BL2 are precharged to 0V respectively. First, the two bit lines B
One of L1 and BL2 (for example, the second bit line BL
2) is set to 5 V, for example, and 5 V is applied to the word line WL to turn on the transistors Q1 and Q2, a potential difference is generated between both ends of the second capacitor C2, for example, downward polarization in the figure. Occurs, but the polarization of the first capacitor C1 does not occur (FIG. 10A). Next, when the plate line PL is set to 5V, the first capacitor C1
, A potential difference is generated between both ends of the second capacitor C2 and an upward polarization occurs in the figure, but the polarization of the second capacitor C2 is not inverted. As a result, the two capacitors C1 and C2 are in a state where polarizations in opposite directions are generated as shown in the figure, and this state corresponds to the write state of data "1" or "0" (FIG. 10B). ).

【0014】次に、プレート線PLを0Vに設定し、ワ
ード線WLを0Vにして2個のトランジスタQ1、Q2
をオフ状態にする(図10(c))。読み出し動作に際
しては、初期状態では、プレート線PLを0Vに設定
し、2本のビット線BL1、BL2をそれぞれ0Vにプ
リチャージしておく。この状態では、2個のキャパシタ
C1、C2には例えば図11(a)に示すように互いに
逆向きの分極が発生した状態のデータが書き込まれてい
る場合を想定する(図11(a))。そして、まず、図
11(b)に示すように、プレート線PLを5Vに設定
し、ワード線WLに例えば5Vを印加して2個のトラン
ジスタQ1,Q2をオン状態にすると、第2のキャパシ
タC2の両端間に電位差が生じてその分極の向きが反転
するが、第1のキャパシタC1の分極の向きは反転しな
い。この2つのキャパシタC1、C2からの読み出し電
位はセンスアンプによりセンス増幅され、このセンスア
ンプの出力により2本のビット線BL1、BL2は対応
して0V、5Vに設定され、センスアンプの出力に基づ
いて読み出しデータの“1”、“0”を判明する(図1
1(b))。次に、プレート線PLを0Vに設定する
と、第2のキャパシタC2の両端間に電位差が生じてそ
の分極の向きが反転し、第1のキャパシタC1の分極の
向きは反転せず、初期状態に戻る(図11(c))。
Next, the plate line PL is set to 0V, the word line WL is set to 0V, and the two transistors Q1 and Q2 are set.
Is turned off (FIG. 10 (c)). In the read operation, in the initial state, the plate line PL is set to 0V and the two bit lines BL1 and BL2 are precharged to 0V. In this state, it is assumed that data is written in the two capacitors C1 and C2, for example, as shown in FIG. 11A, data in which polarization directions opposite to each other are generated (FIG. 11A). . Then, first, as shown in FIG. 11B, when the plate line PL is set to 5V and 5V is applied to the word line WL to turn on the two transistors Q1 and Q2, the second capacitor is turned on. A potential difference is generated between both ends of C2 and its polarization direction is inverted, but the polarization direction of the first capacitor C1 is not inverted. The read potentials from the two capacitors C1 and C2 are sense-amplified by a sense amplifier, and the two bit lines BL1 and BL2 are correspondingly set to 0V and 5V by the output of the sense amplifier, based on the output of the sense amplifier. Then, "1" and "0" of the read data are identified (Fig. 1
1 (b)). Next, when the plate line PL is set to 0V, a potential difference is generated between both ends of the second capacitor C2 and its polarization direction is inverted, and the polarization direction of the first capacitor C1 is not inverted, and the initial state is restored. Return (FIG. 11 (c)).

【0015】次に、図1を参照して第1の実施例の強誘
電体膜を有する不揮発性メモリ装置を説明する。図は、
MOSトランジスタ及びMFM構造を持つキャパシタが
形成された半導体基板の断面図である。p型シリコン半
導体基板1の主面を表面処理して素子分離領域にフィー
ルド酸化膜2を形成する。そしてこの半導体基板1に熱
処理などによりにシリコン酸化膜からなる絶縁膜3を形
成し、絶縁膜3をゲート酸化膜とするMOSトランジス
タ20を形成する。MOSトランジスタ20は、n
ース/ドレイン領域4とこのソース/ドレイン領域間の
上に形成されたゲート酸化膜3と、ゲート酸化膜3上に
形成されたポリシリコンなどのゲート22とを備えてい
る。ゲート22は、シリコン酸化膜などの層間絶縁膜5
により被覆されている。次に、MOSトランジスタ20
の上にMFM構造のキャパシタ10及びその配線30を
形成する工程を説明する。まず、層間絶縁膜5の上に連
続スパッタして下部電極11となるTi/Pt膜を形成
する。つぎに、膜厚約200nmのSr2 (Nd0.4
Ta0.6 2 7 膜からなる強誘電体膜12をTi/P
t膜の上にゾルゲル法で成膜し、これをアニールする。
アニール後に上部電極13となるPt膜を強誘電体膜1
2の上にスパッタする。
Next, a nonvolatile memory device having a ferroelectric film according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The figure shows
FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a capacitor having an MFM structure are formed. The main surface of the p-type silicon semiconductor substrate 1 is surface-treated to form a field oxide film 2 in the element isolation region. Then, an insulating film 3 made of a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 1 by heat treatment or the like, and a MOS transistor 20 having the insulating film 3 as a gate oxide film is formed. The MOS transistor 20 includes an n + source / drain region 4, a gate oxide film 3 formed between the source / drain regions, and a gate 22 such as polysilicon formed on the gate oxide film 3. There is. The gate 22 is an interlayer insulating film 5 such as a silicon oxide film.
Coated with Next, the MOS transistor 20
A process of forming the MFM structure capacitor 10 and the wiring 30 thereof will be described. First, a Ti / Pt film to be the lower electrode 11 is formed on the interlayer insulating film 5 by continuous sputtering. Next, Sr 2 (Nd 0.4 ,
The ferroelectric film 12 made of Ta 0.6 ) 2 O 7 film was formed into Ti / P.
A film is formed on the t film by the sol-gel method and annealed.
After annealing, the Pt film that will become the upper electrode 13 is replaced with the ferroelectric film 1.
Sputter on top of 2.

【0016】次に、これら積層されたTi/Pt膜、強
誘電体膜及びPt膜をRIEでパターニングし、下部電
極11、強誘電体膜12及び上部電極13からなるMF
M構造のキャパシタ10を形成する。このキャパシタ1
0を被覆するように層間絶縁膜5にシリコン酸化膜など
の絶縁膜15を堆積する。この絶縁膜15をエッチング
してMOSトランジスタ20のソース/ドレイン領域4
の一方、上部電極13及び下部電極11にコンタクト孔
を開け、その後、絶縁膜15の上に内部配線31を形成
する。この内部配線31は、パターニングされて、ソー
ス/ドレイン領域4の一方と上部電極13とを電気的に
接続する内部配線31(A)と下部電極11の引き出し
電極となる内部配線31(B)とを有する。内部配線3
1を被覆するように絶縁膜15の上にシリコン酸化膜な
どの絶縁膜6を形成する。この絶縁膜6をエッチングし
て内部配線31Bにコンタクト孔を開ける。そして絶縁
膜6の上に所定のパターンを有する外部配線となるアル
ミニウム配線33を形成する。アルミニウム配線33
は、このコンタクト孔においてバリア層32を介して内
部配線31Bと電気的に接続されている。最後にこれら
の回路にパッシベーション膜(図示せず)を堆積して不
揮発性メモリ装置を形成する。
Next, the laminated Ti / Pt film, the ferroelectric film and the Pt film are patterned by RIE to form an MF including a lower electrode 11, a ferroelectric film 12 and an upper electrode 13.
The M-structure capacitor 10 is formed. This capacitor 1
An insulating film 15 such as a silicon oxide film is deposited on the interlayer insulating film 5 so as to cover 0. The insulating film 15 is etched to form the source / drain regions 4 of the MOS transistor 20.
On the other hand, contact holes are formed in the upper electrode 13 and the lower electrode 11, and then the internal wiring 31 is formed on the insulating film 15. The internal wiring 31 is patterned to form an internal wiring 31 (A) that electrically connects one of the source / drain regions 4 and the upper electrode 13, and an internal wiring 31 (B) that serves as a lead electrode of the lower electrode 11. Have. Internal wiring 3
An insulating film 6 such as a silicon oxide film is formed on the insulating film 15 so as to cover 1. The insulating film 6 is etched to form a contact hole in the internal wiring 31B. Then, an aluminum wiring 33 having a predetermined pattern and serving as an external wiring is formed on the insulating film 6. Aluminum wiring 33
Are electrically connected to the internal wiring 31B through the barrier layer 32 in this contact hole. Finally, a passivation film (not shown) is deposited on these circuits to form a non-volatile memory device.

【0017】不揮発性メモリ装置のメモリセルの回路構
成は、図5に示す通りであり、この回路図のMOSトラ
ンジスタQは図1のMOSトランジスタ20に相当し、
キャパシタCはキャパシタ10に相当する。ワード線W
Lはゲート22に接続され、ビット線BLは、ソース/
ドレイン領域4の他方と電気的に接続される。配線30
は、プレート線PLとして用いられる。この実施例の不
揮発性メモリ装置のメモリセルは、2Vで駆動でき、1
10回以上の耐疲労特性を示した。スイッチング速度
は、100ns以下であった。また、スイッチング電荷
量を測定したところ、15μC/cm2 であった。ま
た、不揮発性メモリ装置を完成してから、配線及びMF
M構造をエッチングし、MOSトランジスタを取り出
し、成分分析を行ったところ強誘電体成分の拡散は見ら
れなかった。
The circuit configuration of the memory cell of the non-volatile memory device is as shown in FIG. 5, and the MOS transistor Q in this circuit diagram corresponds to the MOS transistor 20 in FIG.
The capacitor C corresponds to the capacitor 10. Word line W
L is connected to the gate 22, and the bit line BL is source /
It is electrically connected to the other of the drain regions 4. Wiring 30
Is used as the plate line PL. The memory cells of the non-volatile memory device of this embodiment can be driven at 2V,
Fatigue resistance was exhibited 10 times or more. The switching speed was 100 ns or less. The switching charge amount was measured and found to be 15 μC / cm 2 . In addition, after completing the non-volatile memory device, wiring and MF
When the M structure was etched, the MOS transistor was taken out, and the component analysis was performed, no diffusion of the ferroelectric component was observed.

【0018】(比較例1)この比較例の不揮発性メモリ
装置は、第1の実施例と同様の素子構成であるが、強誘
電体膜の組成が両者は異なる。MOSトランジスタ20
を形成してから、キャパシタ10を形成する。下部電極
11のTi/Pt膜上に、Sr2 (Nb0. 1 ,T
0.9 2 7 膜(膜厚200nm)をゾルゲル法で成
膜し、これをアニールしてから上部電極13のPt膜を
スパッタする(図1参照)。これ以外の工程は第1の実
施例と同じであるので、省略するが、この不揮発性メモ
リ素子は、データを書き込むことができなかった。Ti
/Pt膜の上のSr2 (Nb0.1 ,Ta0.9 2 7
をX線回折で調査したところ、常誘電体構造のX線パタ
ーンしか得られなかった。
Comparative Example 1 The nonvolatile memory device of this comparative example has the same element structure as that of the first embodiment, but the compositions of the ferroelectric film are different from each other. MOS transistor 20
Then, the capacitor 10 is formed. On Ti / Pt film of the lower electrode 11, Sr 2 (Nb 0. 1 , T
An a 0.9 ) 2 O 7 film (film thickness 200 nm) is formed by the sol-gel method, annealed, and then the Pt film of the upper electrode 13 is sputtered (see FIG. 1). Since the other steps are the same as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted, but this nonvolatile memory element could not write data. Ti
When the Sr 2 (Nb 0.1 , Ta 0.9 ) 2 O 7 film on the / Pt film was investigated by X-ray diffraction, only an X-ray pattern having a paraelectric structure was obtained.

【0019】次に、図2を参照して第2の実施例を説明
する。図は、MOSトランジスタ及びMFM構造を持つ
キャパシタが形成された半導体基板の断面図である。p
型シリコン半導体基板1の主面を表面処理して素子分離
領域にフィールド酸化膜2を形成する。次に、半導体基
板1に熱処理などによりにシリコン酸化膜からなる絶縁
膜3を形成し、絶縁膜3をゲート酸化膜とするMOSト
ランジスタ20を形成する。MOSトランジスタ20は
ソース/ドレイン領域4と、このソース/ドレイン
領域間の上に形成されたゲート酸化膜3と、ゲート酸化
膜3上に形成されたポリシリコンなどのゲート22とを
備えている。ゲート22は、シリコン酸化膜などの層間
絶縁膜により被覆されている。この層間絶縁膜をエッチ
ングしてMOSトランジスタ20のソース/ドレイン領
域4の一方の上にコンタクト孔を形成する。そして、こ
のコンタクト孔にポリシリコンを埋め込んでプラグ21
を形成する。プラグ21の上にMFM構造のキャパシタ
10を形成する。MFM構造は、プラグ21に接続され
る下部電極11のIrO2 /Ir膜の積層膜と、強誘電
体膜12のLa2 (Ti0.3 , Ta0.7 27 膜(膜
厚200nm)と、上部電極13のIrO2 /Ir膜か
ら構成されている。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. The figure is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a capacitor having an MFM structure are formed. p
The main surface of the type silicon semiconductor substrate 1 is surface-treated to form a field oxide film 2 in the element isolation region. Next, the insulating film 3 made of a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 1 by heat treatment or the like, and the MOS transistor 20 using the insulating film 3 as a gate oxide film is formed. The MOS transistor 20 includes an n + source / drain region 4, a gate oxide film 3 formed between the source / drain regions, and a gate 22 such as polysilicon formed on the gate oxide film 3. There is. The gate 22 is covered with an interlayer insulating film such as a silicon oxide film. This interlayer insulating film is etched to form a contact hole on one of the source / drain regions 4 of the MOS transistor 20. Then, the plug 21 is formed by filling the contact hole with polysilicon.
To form The capacitor 10 having the MFM structure is formed on the plug 21. The MFM structure has a laminated film of IrO 2 / Ir film of the lower electrode 11 connected to the plug 21, a La 2 (Ti 0.3 , Ta 0.7 ) 2 O 7 film (film thickness 200 nm) of the ferroelectric film 12, The upper electrode 13 is composed of an IrO 2 / Ir film.

【0020】下部電極のIrO2 /Ir膜をスパッタリ
ングで積層し、これをアニールする。その後、下部電極
の上にLa2 (Ti0.3 , Ta0.7 2 7 膜をスパッ
タで形成し、さらにIrO2 /Ir膜13を積層して不
揮発性メモリ素子を構成する。MOSトランジスタ20
のソース/ドレイン領域4の他方は、ビット線BLに用
いられるアルミニウムなどの外部配線34に接続され、
ゲート22はワード線WLに用いられる。上部電極13
は、プレート線PLに用いられる配線35に電気的に接
続される。このメモリセルのスイッチング電荷量は、1
0μC/cm2であった。このメモリセルの回路構成
は、図5と同じである。この不揮発性メモリ素子は、第
1の実施例と同等の特性を維持しながら、セル面積を4
0%削減できる。
An IrO 2 / Ir film for the lower electrode is laminated by sputtering and annealed. Then, a La 2 (Ti 0.3 , Ta 0.7 ) 2 O 7 film is formed on the lower electrode by sputtering, and further an IrO 2 / Ir film 13 is laminated to form a nonvolatile memory element. MOS transistor 20
The other of the source / drain regions 4 is connected to an external wiring 34 such as aluminum used for the bit line BL,
The gate 22 is used for the word line WL. Upper electrode 13
Are electrically connected to the wiring 35 used for the plate line PL. The switching charge amount of this memory cell is 1
It was 0 μC / cm 2 . The circuit configuration of this memory cell is the same as that of FIG. This nonvolatile memory element has a cell area of 4 while maintaining the same characteristics as those of the first embodiment.
It can be reduced by 0%.

【0021】(比較例2)この比較例の不揮発性メモリ
装置は、第2の実施例と同様の素子構成であるが強誘電
体膜の組成が両者は異なる。MOSトランジスタ20を
形成してから、キャパシタ10を形成する。下部電極1
1のIrO2 /Ir膜の上に膜厚200nmのSr
2 (Nb0.5 , Ta0.5 2 7 膜をスパッタで形成
し、これをアニールしてから上部電極13のIrO2
Ir膜をスパッタする(図2参照)。これ以外の工程は
第2の実施例と同じであるので、省略するが、この不揮
発性メモリ素子は、データを書き込むことができなかっ
た。また、同様に強誘電体膜としてLa2 Ti2 7
をスパッタで形成して不揮発性メモリ素子を形成する。
このメモリ素子は、データを書き込むことができなかっ
た。Sr2 (Nb0.5 ,Ta0.5 2 7 膜及びLa2
Ti2 7 膜をX線回折で調査したところ、いずれも分
極が困難なb軸配向性が強く現れた。
Comparative Example 2 The nonvolatile memory device of this comparative example has the same element structure as that of the second embodiment, but the compositions of the ferroelectric film are different from each other. After forming the MOS transistor 20, the capacitor 10 is formed. Lower electrode 1
No. 1 IrO 2 / Ir film with a Sr thickness of 200 nm
A 2 (Nb 0.5 , Ta 0.5 ) 2 O 7 film is formed by sputtering and annealed, and then IrO 2 /
The Ir film is sputtered (see FIG. 2). Since the other steps are the same as those in the second embodiment, the description thereof is omitted, but this nonvolatile memory element could not write data. Similarly, a La 2 Ti 2 O 7 film is formed as a ferroelectric film by sputtering to form a nonvolatile memory element.
No data could be written to this memory element. Sr 2 (Nb 0.5 , Ta 0.5 ) 2 O 7 film and La 2
When the Ti 2 O 7 film was examined by X-ray diffraction, a strong b-axis orientation, which was difficult to polarize, appeared in each case.

【0022】次に、図3を参照して第3の実施例を説明
する。図は、MFMIS構造の電界効果型強誘電体素子
の断面図である。p型シリコン半導体基板1の表面領域
にはソース/ドレイン領域4が形成されている。このソ
ース/ドレイン領域4の間の上にはゲート酸化膜3を介
して両面に金属層15、16が形成された強誘電体膜1
2が配置されている。この素子は、強誘電体膜で電荷蓄
積がされ、電界効果素子の部分で読み出しが行われる。
ArFエキシマレーザ光を回転するCa2 (Nb0.2
Ta0.8 2 7 からなるセラミックターゲット表面に
照射してその粒子を叩き出し、それをシリコン半導体基
板1上に基板温度600℃で堆積させて強誘電体膜を形
成する。強誘電体膜のC−V特性を測定した結果、図8
に示すような分極履歴に対応したヒステリシスループが
得られた。Psは、飽和分極率、Prは、残留分極率で
ある。スイッチング電荷量(=2Pr)は、残留分極率
の2倍に等しい。Ecは、抗電界である。この強誘電体
膜の誘電率は60であった。同様の成膜をNb2 (Ti
0.2 ,Ta0.8 2 7 からなるセラミックターゲット
を用いて行っても、同様のヒステリシスループが得られ
た。また、シリコン半導体基板上にゲート酸化膜(膜厚
15nm)3、Pt電極15、Ca2 (Nb0.2 Ta
0.8 2 7 膜(膜厚200nm)12、Pt電極16
を順次堆積し、図3に示すMFMIS構造の強誘電体素
子を形成する。この不揮発性メモリ素子は3V以下でス
イッチングすることができた。
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG. The figure is a cross-sectional view of a field effect ferroelectric element having an MFMIS structure. Source / drain regions 4 are formed in the surface region of the p-type silicon semiconductor substrate 1. Ferroelectric film 1 in which metal layers 15 and 16 are formed on both surfaces of the source / drain region 4 with a gate oxide film 3 interposed therebetween.
2 are arranged. In this element, charge is accumulated in the ferroelectric film, and reading is performed in the field effect element portion.
Ca 2 (Nb 0.2 , which rotates the ArF excimer laser light,
By irradiating the ceramic target surface consisting of Ta 0.8) 2 O 7 hammered the particles, it is deposited at a substrate temperature of 600 ° C. on the silicon semiconductor substrate 1 to form a ferroelectric film. As a result of measuring the CV characteristics of the ferroelectric film, FIG.
A hysteresis loop corresponding to the polarization history is obtained as shown in. Ps is the saturation polarizability and Pr is the residual polarizability. The switching charge amount (= 2Pr) is equal to twice the residual polarizability. Ec is a coercive electric field. The dielectric constant of this ferroelectric film was 60. A similar film is formed using Nb 2 (Ti
A similar hysteresis loop was obtained even when a ceramic target made of 0.2 , Ta 0.8 ) 2 O 7 was used. In addition, a gate oxide film (film thickness 15 nm) 3, Pt electrode 15, Ca 2 (Nb 0.2 Ta) is formed on the silicon semiconductor substrate.
0.8 ) 2 O 7 film (film thickness 200 nm) 12, Pt electrode 16
Are sequentially deposited to form the ferroelectric element having the MFMIS structure shown in FIG. This non-volatile memory device was able to switch at 3 V or less.

【0023】(比較例3)第3の実施例中のCa2 (N
0.2 Ta0.8 2 7 膜をPZT膜に代えて、シリコ
ン半導体基板上にゲート酸化膜(膜厚15nm)、Pt
電極、PZT膜(膜厚200nm)、Pt電極を順次堆
積し、図3と同様の構造のMFMIS構造の膜を形成す
る。この不揮発性メモリは、強誘電体PZTの誘電率が
大きいため、積層キャパシタであるゲート酸化膜との容
量比が大きくなる。そこで、強誘電体膜にかかる実質的
な電圧が小さくなってしまい、3Vではスイッチングす
ることができなかった。
(Comparative Example 3) Ca 2 (N in the third embodiment)
b 0.2 Ta 0.8 ) 2 O 7 film was replaced with a PZT film, and a gate oxide film (film thickness 15 nm), Pt was formed on a silicon semiconductor substrate.
An electrode, a PZT film (film thickness 200 nm), and a Pt electrode are sequentially deposited to form a film having an MFMIS structure having the same structure as in FIG. In this nonvolatile memory, since the ferroelectric PZT has a large dielectric constant, the capacitance ratio with the gate oxide film, which is a laminated capacitor, becomes large. Therefore, the substantial voltage applied to the ferroelectric film becomes small, and switching cannot be performed at 3V.

【0024】次に、図4を参照して第4の実施例を説明
する。図は、MOSトランジスタ及びMFM構造を持つ
キャパシタが形成された半導体基板の断面図である。こ
の実施例は、基本的に第2の実施例と同じプロセスを用
いて形成され、前記実施例と同じ組成の強誘電体膜を用
いる。第2の実施例では、キャパシタは、ソース/ドレ
イン領域の上に形成されているが、この実施例では、ゲ
ートの上に形成されている。そのため前記実施例よりさ
らにセル面積を小さくすることができる。p型シリコン
半導体基板1の主面を表面処理して素子分離領域にフィ
ールド酸化膜2を形成する。次に、半導体基板1に熱処
理などによりにシリコン酸化膜からなる絶縁膜3を形成
し、絶縁膜3をゲート酸化膜とするMOSトランジスタ
20を形成する。MOSトランジスタ20はnソース
/ドレイン領域4とこのソース/ドレイン領域間の上に
形成されたゲート酸化膜3とゲート酸化膜3上に形成さ
れたポリシリコンなどのゲート22とを備えている。ゲ
ート22は、シリコン酸化膜などの絶縁膜15により被
覆されている。絶縁膜15の上にMFM構造のキャパシ
タ10を形成する。MFM構造は、下部電極11のIr
2 /Ir膜の積層膜と、強誘電体膜12のLa2 (T
0.3 , Ta0.7 2 7 膜(膜厚200nm)と、上
部電極13のIrO2 /Ir膜から構成されている。
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIG. The figure is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a MOS transistor and a capacitor having an MFM structure are formed. This embodiment is basically formed by using the same process as the second embodiment, and uses a ferroelectric film having the same composition as that of the above-mentioned embodiment. In the second embodiment, the capacitors are formed on the source / drain regions, but in this embodiment they are formed on the gates. Therefore, the cell area can be further reduced as compared with the above embodiment. The main surface of the p-type silicon semiconductor substrate 1 is surface-treated to form a field oxide film 2 in the element isolation region. Next, the insulating film 3 made of a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 1 by heat treatment or the like, and the MOS transistor 20 using the insulating film 3 as a gate oxide film is formed. The MOS transistor 20 includes an n + source / drain region 4, a gate oxide film 3 formed between the source / drain regions, and a gate 22 such as polysilicon formed on the gate oxide film 3. The gate 22 is covered with an insulating film 15 such as a silicon oxide film. The capacitor 10 having the MFM structure is formed on the insulating film 15. The MFM structure is based on Ir of the lower electrode 11.
A laminated film of O 2 / Ir film and La 2 (T
i 0.3 , Ta 0.7 ) 2 O 7 film (film thickness 200 nm) and the IrO 2 / Ir film of the upper electrode 13.

【0025】下部電極のIrO2 /Ir膜をスパッタリ
ングで積層し、これをアニールする。エッチングパター
ニング後、La2 (Ti0.3 , Ta0.7 2 7 膜をス
パッタにより形成し、さらにIrO2 /Ir膜13を積
層して不揮発性メモリ素子を構成する。キャパシタ10
は、絶縁膜6により被覆保護されている。MOSトラン
ジスタ20のソース/ドレイン領域4の一方は、ビット
線BLに用いられるアルミニウムなどの配線36に接続
され、ゲート22はワード線WLに用いられる。上部電
極13は、絶縁膜6、15のコンタクト孔を介してソー
ス/ドレイン領域4の他方に接続されているアルミニウ
ムなどの金属配線37に電気的に接続される。このメモ
リセルの回路構成は、図5と同じである。この不揮発性
メモリ素子は、第2の実施例と同等の特性を維持しなが
ら、セル面積を第2の実施例と同じ様に第1の実施例よ
り小さくできる。下部電極11は、プレート線PLに接
続されている。
An IrO 2 / Ir film for the lower electrode is laminated by sputtering and annealed. After etching and patterning, a La 2 (Ti 0.3 , Ta 0.7 ) 2 O 7 film is formed by sputtering, and further an IrO 2 / Ir film 13 is laminated to form a nonvolatile memory element. Capacitor 10
Are covered and protected by the insulating film 6. One of the source / drain regions 4 of the MOS transistor 20 is connected to the wiring 36 such as aluminum used for the bit line BL, and the gate 22 is used for the word line WL. The upper electrode 13 is electrically connected to the metal wiring 37 such as aluminum connected to the other of the source / drain regions 4 through the contact holes of the insulating films 6 and 15. The circuit configuration of this memory cell is the same as that of FIG. This non-volatile memory device can have a cell area smaller than that of the first embodiment like the second embodiment while maintaining the same characteristics as those of the second embodiment. The lower electrode 11 is connected to the plate line PL.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明の強誘電体薄膜を用いた不揮発性
メモリ素子は、拡散しやすいPdあるいはBiを含まな
いことから、誘電体膜内に組成ずれが生じにくく、その
結果酸素空孔が生じないために疲労特性にすぐれる。ま
た、拡散元素が他層に影響しないため、高集積化が可能
である。また、蒸発しやすい成分がないことから、蒸発
成分のもたらすパーティクルの問題が起こらないため、
量産性にもすぐれる。さらに、本発明のメモリ素子にお
ける誘電体膜は、誘電率が100未満と小さく容量負荷
が小さいので、低消費電力化でき、反転速度向上も達成
できる。
The non-volatile memory element using the ferroelectric thin film of the present invention does not contain Pd or Bi that easily diffuses, and therefore compositional deviation is unlikely to occur in the dielectric film, resulting in oxygen vacancies. Excellent fatigue characteristics because it does not occur. Further, since the diffusion element does not affect other layers, high integration can be achieved. Also, since there is no component that easily evaporates, the problem of particles caused by the evaporative component does not occur,
Excellent mass productivity. Furthermore, since the dielectric film in the memory device of the present invention has a small dielectric constant of less than 100 and a small capacitive load, it is possible to reduce power consumption and improve the inversion speed.

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

【図1】本発明の発明の実施の形態のメモリ素子の断面
図。
FIG. 1 is a sectional view of a memory device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の発明の実施の形態のメモリ素子の断面
図。
FIG. 2 is a sectional view of a memory device according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の発明の実施の形態のメモリ素子の断面
図。
FIG. 3 is a sectional view of a memory device according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の発明の実施の形態のメモリ素子の断面
図。
FIG. 4 is a sectional view of a memory device according to an embodiment of the present invention.

【図5】図1乃至図4に示すメモリ素子の回路図。FIG. 5 is a circuit diagram of the memory device shown in FIGS.

【図6】従来のメモリ素子の強誘電体膜における強誘電
体構造を示す結晶構成図。
FIG. 6 is a crystal configuration diagram showing a ferroelectric structure in a ferroelectric film of a conventional memory device.

【図7】本発明のメモリ素子の強誘電体膜における強誘
電体構造を示す結晶構成図。
FIG. 7 is a crystal configuration diagram showing a ferroelectric structure in the ferroelectric film of the memory device of the present invention.

【図8】強誘電体膜の分極特性を示すPs−Ec特性
図。
FIG. 8 is a Ps-Ec characteristic diagram showing polarization characteristics of a ferroelectric film.

【図9】本発明の強誘電体膜の製造方法を示す概略断面
図。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a ferroelectric film of the present invention.

【図10】本発明のメモリ素子の書き込み/読み出し動
作を説明する回路図。
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a write / read operation of the memory element of the present invention.

【図11】本発明のメモリ素子の書き込み/読み出し動
作を説明する回路図。
FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a write / read operation of the memory element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・半導体基板、 2・・・フィールド酸化膜、
3・・・ゲート酸化膜、 4・・・ソース/ドレイン
領域、5、6、7、8、15・・・絶縁膜、 10・・
・MFM構造のキャパシタ、11・・・キャパシタの下
部電極、 12・・・強誘電体膜、13・・・キャパ
シタの上部電極、 15、16・・・金属層(Pt電
極)、20・・・MOSトランジスタ、 21・・・プ
ラグ、22・・・ゲート、 30、33、34、3
5、36、37・・・配線、31・・・内部配線及び電
極、 32…金属配線。
1 ... semiconductor substrate 2 ... field oxide film
3 ... Gate oxide film, 4 ... Source / drain regions, 5, 6, 7, 8, 15 ... Insulating film, 10 ...
-MFM structure capacitor, 11 ... capacitor lower electrode, 12 ... ferroelectric film, 13 ... capacitor upper electrode, 15, 16 ... metal layer (Pt electrode), 20 ... MOS transistor, 21 ... Plug, 22 ... Gate, 30, 33, 34, 3
5, 36, 37 ... Wiring, 31 ... Internal wiring and electrodes, 32 ... Metal wiring.

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01L 29/792

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電極間の誘電体に強誘電体膜を用いた情
報記憶用キャパシタと電荷転送用MOSトランジスタと
が直列に接続されてなる複数のメモリセルが行列状に配
列されているメモリセルアレイと、 それぞれ同一行の前記メモリセルのMOSトランジスタ
のゲートに共通に接続されている複数本のワード線と、 それぞれ同一行の前記メモリセルのキャパシタのプレー
トに共通に接続された複数本のプレート線と、 それぞれ同一列の前記メモリセルのMOSトランジスタ
のソース/ドレイン領域のいづれかに共通に接続された
複数本のビット線とを備え、 前記強誘電体膜は、M12 M22 7 及びM12 Ta2
7 (但し、M1は、Sr、Ca、La、Ndから選ば
れた少なくとも1つの元素、M2は、Nb、Tiから選
ばれた少なくとも1つの元素である。)の固溶体からな
ることを特徴とする不揮発性メモリ装置。
1. A memory cell array in which a plurality of memory cells, each of which is formed by serially connecting an information storage capacitor using a ferroelectric film as a dielectric between electrodes and a charge transfer MOS transistor, are arranged in a matrix. A plurality of word lines that are commonly connected to the gates of the MOS transistors of the memory cells in the same row, and a plurality of plate lines that are commonly connected to the plates of the capacitors of the memory cells in the same row. And a plurality of bit lines commonly connected to any one of the source / drain regions of the MOS transistors of the memory cells in the same column, the ferroelectric film is M1 2 M2 2 O 7 and M1 2 Ta 2
A solid solution of O 7 (where M1 is at least one element selected from Sr, Ca, La and Nd, and M2 is at least one element selected from Nb and Ti). Non-volatile memory device.
【請求項2】 前記強誘電体膜を構成する前記固溶体
は、M12 (M2,Ta1-x 2 7 で表され、0.
1≦x≦0.5であることを特徴とする請求項1に記載
の不揮発性メモリ装置。
2. The solid solution constituting the ferroelectric film is represented by M1 2 (M2 x , Ta 1-x ) 2 O 7 ,
The non-volatile memory device according to claim 1, wherein 1 ≦ x ≦ 0.5.
【請求項3】 半導体基板と、 前記半導体基板の表面領域に形成されたソース/ドレイ
ン領域と、 前記ソース/ドレイン領域間の上に形成されたゲート絶
縁膜と、 前記ゲート絶縁膜の上に形成された第1の金属膜と、 前記第1の金属膜上に形成された強誘電体膜と、 前記強誘電体膜上に形成された第2の金属膜とを備え、 前記強誘電体膜は、M12 M22 7 及びM12 Ta2
7 (但し、M1は、Sr、Ca、La、Ndから選ば
れた少なくとも1つの元素、M2は、Nb、Tiから選
ばれた少なくとも1つの元素である。)の固溶体からな
り、且つその自発分極特性を利用して情報を記憶するこ
とを特徴とする不揮発性メモリ装置。
3. A semiconductor substrate, a source / drain region formed in a surface region of the semiconductor substrate, a gate insulating film formed between the source / drain regions, and formed on the gate insulating film. A first metal film formed on the first metal film, a ferroelectric film formed on the first metal film, and a second metal film formed on the ferroelectric film. Is M1 2 M2 2 O 7 and M1 2 Ta 2
O 7 (provided that M 1 is at least one element selected from Sr, Ca, La, and Nd, M 2 is at least one element selected from Nb and Ti), and spontaneously. A non-volatile memory device characterized by storing information by utilizing polarization characteristics.
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