JPH1041477A - Ferroelectric memory - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性メモリ動
作を行う強誘電体メモリに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ferroelectric memory for performing a nonvolatile memory operation.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、不揮発性メモリ動作を行う強
誘電体メモリが提案されている。図6は従来の強誘電体
メモリの一例を示す模式的断面図である。2. Description of the Related Art Hitherto, a ferroelectric memory performing a nonvolatile memory operation has been proposed. FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of a conventional ferroelectric memory.
【0003】図6において、p型Si(シリコン)基板
41の表面に所定間隔を隔ててn+層42,43が形成
され、n+ 層42,43間のp型Si基板41の領域上
に金属酸化物からなる強誘電体層44が形成されてい
る。n+ 層42,43上にはそれぞれソース電極45お
よびドレイン電極46が形成され、強誘電体層44上に
はゲート電極47が形成されている。このように、この
強誘電体メモリはFET(電界効果トランジスタ)構造
を有する。In FIG. 6, n + layers 42 and 43 are formed at a predetermined interval on the surface of a p-type Si (silicon) substrate 41, and are formed on a region of the p-type Si substrate 41 between the n + layers 42 and 43. A ferroelectric layer 44 made of a metal oxide is formed. A source electrode 45 and a drain electrode 46 are formed on the n + layers 42 and 43, respectively, and a gate electrode 47 is formed on the ferroelectric layer 44. Thus, this ferroelectric memory has an FET (field effect transistor) structure.
【0004】ここで、図6の強誘電体メモリの動作原理
について説明する。ゲート電極47に所定の正電圧を印
加すると、強誘電体層44が分極し、強誘電体層44の
ゲート電極47との界面が負に帯電し、p型Si基板4
1との界面が正に帯電する。それにより、n+ 層42,
43間のp型Si基板41の領域にチャネルが形成され
る。したがって、ソース・ドレイン間電圧を印加する
と、ソース・ドレイン間に電流が流れる。強誘電体層4
4が十分に分極していると、ゲート電極47に印加する
電圧を0にした後も、ソース・ドレイン間に電流が流れ
る。すなわち、不揮発性メモリとしての動作が可能とな
る。Here, the principle of operation of the ferroelectric memory shown in FIG. 6 will be described. When a predetermined positive voltage is applied to the gate electrode 47, the ferroelectric layer 44 is polarized, the interface of the ferroelectric layer 44 with the gate electrode 47 is negatively charged, and the p-type Si substrate 4
1 is positively charged. Thereby, the n + layer 42,
A channel is formed in a region of the p-type Si substrate 41 between the 43. Therefore, when a source-drain voltage is applied, a current flows between the source and the drain. Ferroelectric layer 4
If 4 is sufficiently polarized, a current flows between the source and the drain even after the voltage applied to the gate electrode 47 is set to 0. That is, operation as a nonvolatile memory is enabled.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の強誘電体メモリでは、Si基板41と強誘電体層
44との界面において数100Åの厚さにわたってSi
原子と強誘電体層44の構成原子の相互拡散が起こる。
それにより、強誘電体層44の界面が強誘電体性を示さ
なくなる。また、強誘電体層44が分極を繰り返すと、
強誘電体層44中の酸素がSi基板41中に取り込ま
れ、強誘電体層44の界面付近で酸素の欠陥が発生す
る。このように、Si基板41上に良好な界面を有する
強誘電体層44が存在しないという問題がある。そこ
で、基板と強誘電体層との界面を良好にするために種々
の方法が提案されている。However, in the above-mentioned conventional ferroelectric memory, the interface between the Si substrate 41 and the ferroelectric layer 44 has a thickness of several hundreds of degrees.
Mutual diffusion of atoms and constituent atoms of the ferroelectric layer 44 occurs.
Thereby, the interface of the ferroelectric layer 44 does not exhibit ferroelectricity. When the ferroelectric layer 44 repeats polarization,
Oxygen in the ferroelectric layer 44 is taken into the Si substrate 41, and oxygen defects occur near the interface of the ferroelectric layer 44. Thus, there is a problem that the ferroelectric layer 44 having a good interface does not exist on the Si substrate 41. Therefore, various methods have been proposed to improve the interface between the substrate and the ferroelectric layer.
【0006】第1の方法は、Si基板の代わりにLa
(ランタン)がドープされたSTO(SrTiO3 )基
板を使用し、そのSTO基板上に強誘電体層を形成する
ものである。この方法によれば、STO基板自体が酸化
物であるため、強誘電体層から酸素を取り込みにくい。
したがって、STO層と強誘電体層との界面が良好とな
る。しかしながら、STO基板は高価であり、またST
O基板上に周辺回路を形成することは困難である。The first method is to use La instead of Si substrate.
A (lanthanum) -doped STO (SrTiO 3 ) substrate is used, and a ferroelectric layer is formed on the STO substrate. According to this method, since the STO substrate itself is an oxide, it is difficult to take in oxygen from the ferroelectric layer.
Therefore, the interface between the STO layer and the ferroelectric layer is improved. However, STO substrates are expensive, and ST
It is difficult to form a peripheral circuit on an O substrate.
【0007】第2の方法は、Si基板上にLaがドープ
されたSTO層を形成し、そのSTO層上に強誘電体層
を形成するものである。この方法によれば、第1の方法
と同様に、STO層と強誘電体層との界面が良好とな
る。しかしながら、構造が複雑になり、またSi基板上
にSTO層を形成する技術が確立されていない。The second method is to form a La-doped STO layer on a Si substrate and form a ferroelectric layer on the STO layer. According to this method, similarly to the first method, the interface between the STO layer and the ferroelectric layer is improved. However, the structure becomes complicated, and a technique for forming an STO layer on a Si substrate has not been established.
【0008】第3の方法は、Si基板上に相互拡散防止
のために安定なバッファ層を形成し、そのバッファ層上
に強誘電体層を形成するものである。図7はバッファ層
を用いた従来の強誘電体メモリの模式的断面図である。The third method is to form a stable buffer layer on a Si substrate to prevent mutual diffusion and to form a ferroelectric layer on the buffer layer. FIG. 7 is a schematic sectional view of a conventional ferroelectric memory using a buffer layer.
【0009】図7において、Si基板51上にCeO2
バッファ層52が形成され、CeO 2 バッファ層52上
にPbTiO3 強誘電体層53が形成されている。この
PbTiO3 強誘電体層53上にゲート電極54が形成
されている。CeO2 バッファ層52の厚さは1μm以
上必要である。In FIG. 7, CeO is placed on a Si substrate 51.Two
A buffer layer 52 is formed and CeO TwoOn the buffer layer 52
PbTiOThreeA ferroelectric layer 53 is formed. this
PbTiOThreeGate electrode 54 is formed on ferroelectric layer 53
Have been. CeOTwoThe thickness of the buffer layer 52 is 1 μm or less.
Is necessary.
【0010】図7の強誘電体メモリにおいては、Si基
板51とPbTiO3 強誘電体層53との間に安定なC
eO2 バッファ層52が設けられているので、PbTi
O3強誘電体層53の界面が良好となる。しかしなが
ら、Si基板51上に厚いCeO2 バッファ層52を形
成する必要があることから、製造プロセスが複雑とな
り、製造時間が長くかかる。また、Si基板51とPb
TiO3 強誘電体層53との間に厚いCeO2 バッファ
層52が存在することから、FETとしての素子特性が
不良となる。[0010] In the ferroelectric memory of FIG. 7, a stable C is placed between the Si substrate 51 and the PbTiO 3 ferroelectric layer 53.
Since the eO 2 buffer layer 52 is provided, PbTi
The interface of the O 3 ferroelectric layer 53 becomes good. However, since the thick CeO 2 buffer layer 52 needs to be formed on the Si substrate 51, the manufacturing process is complicated and the manufacturing time is long. Also, the Si substrate 51 and Pb
Since the thick CeO 2 buffer layer 52 exists between the TiO 3 ferroelectric layer 53 and the TiO 3 ferroelectric layer 53, the device characteristics as an FET become poor.
【0011】本発明の目的は、良好な素子特性を有し、
容易に製造可能な強誘電体メモリを提供することであ
る。An object of the present invention is to have good device characteristics,
An object of the present invention is to provide a ferroelectric memory that can be easily manufactured.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
に係る強誘電体メモリは、半導体層上に所定間隔を隔て
て第1および第2の電極が形成され、第1の電極と第2
の電極との間の半導体層の領域上に酸化物からなる強誘
電体層が形成され、強誘電体層上に第3の電極が形成さ
れ、半導体層が強誘電体層に比べて高い還元性を有する
ものである。半導体層は基板上に形成された半導体層で
あってもよく、半導体基板に形成された半導体層であっ
てもよい。半導体層は酸化亜鉛からなることが好まし
い。According to the ferroelectric memory of the present invention, first and second electrodes are formed on a semiconductor layer at predetermined intervals, and the first and second electrodes are formed.
A ferroelectric layer made of an oxide is formed on a region of the semiconductor layer between the electrodes, and a third electrode is formed on the ferroelectric layer. The semiconductor layer has a higher reduction than the ferroelectric layer. It has the property. The semiconductor layer may be a semiconductor layer formed on a substrate, or may be a semiconductor layer formed on a semiconductor substrate. The semiconductor layer is preferably made of zinc oxide.
【0013】この強誘電体メモリにおいて、第3の電極
に電圧を印加すると、強誘電体層が分極し、第1の電極
と第2の電極との間における半導体層の領域にチャネル
が形成される。これにより、第1の電極と第2の電極と
の間に電圧を印加すると、チャネルを介して第1の電極
と第2の電極との間に電流が流れる。In this ferroelectric memory, when a voltage is applied to the third electrode, the ferroelectric layer is polarized, and a channel is formed in a region of the semiconductor layer between the first electrode and the second electrode. You. Thus, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, a current flows between the first electrode and the second electrode via the channel.
【0014】強誘電体層の分極は第3の電極への電圧の
印加を停止した後も持続するので、第1の電極と第2の
電極との間に電圧を印加すると、チャネルを介して第1
の電極と第2の電極との間に電流が流れる。このよう
に、不揮発性メモリ動作が実現される。Since the polarization of the ferroelectric layer continues even after the application of the voltage to the third electrode is stopped, when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the polarization through the channel occurs. First
Current flows between the first electrode and the second electrode. Thus, a non-volatile memory operation is realized.
【0015】本発明に係る強誘電体メモリにおいては、
半導体層が強誘電体層に比べて高い還元性を有するの
で、強誘電体層中の酸素が半導体層中に取り込まれにく
く、分極を繰り返しても強誘電体層の界面付近で酸素の
欠陥が発生することが防止される。したがって、半導体
層上に良好な界面を有する強誘電体層が形成され、良好
な素子特性が得られる。In the ferroelectric memory according to the present invention,
Since the semiconductor layer has a higher reducing property than the ferroelectric layer, oxygen in the ferroelectric layer is less likely to be taken into the semiconductor layer, and oxygen defects are generated near the interface of the ferroelectric layer even after repeated polarization. This is prevented from occurring. Therefore, a ferroelectric layer having a good interface is formed on the semiconductor layer, and good device characteristics can be obtained.
【0016】特に、基板上に酸化物半導体層が形成さ
れ、酸化物半導体層上に所定間隔を隔てて第1および第
2の電極が形成され、第1の電極と第2の電極との間の
酸化物半導体層の領域上に酸化物強誘電体層が形成さ
れ、酸化物強誘電体層上に第3の電極が形成され、酸化
物半導体層が酸化物強誘電体層に比べて高い還元性を有
していてもよい。なお、酸化物半導体層は基板上に直接
形成されてもよく、あるいは基板上の層上に形成されて
もよい。In particular, an oxide semiconductor layer is formed on a substrate, first and second electrodes are formed on the oxide semiconductor layer at a predetermined interval, and a gap between the first electrode and the second electrode is formed. An oxide ferroelectric layer is formed on the region of the oxide semiconductor layer, and a third electrode is formed on the oxide ferroelectric layer, and the oxide semiconductor layer is higher than the oxide ferroelectric layer. It may have a reducing property. Note that the oxide semiconductor layer may be formed directly over the substrate, or may be formed over a layer over the substrate.
【0017】この場合、第3の電極に電圧を印加する
と、第1の電極と第2の電極との間における酸化物半導
体層の領域にチャネルが形成される。すなわち、酸化物
半導体層がチャンネリング層として働く。In this case, when a voltage is applied to the third electrode, a channel is formed in a region of the oxide semiconductor layer between the first electrode and the second electrode. That is, the oxide semiconductor layer functions as a channeling layer.
【0018】基板上には酸化物半導体層を容易に形成す
ることができる。また、酸化物半導体層が酸化物強誘電
体層に対して高い還元性を有するので、酸化物強誘電体
層の界面付近での酸素欠陥の発生が防止される。さら
に、基板と酸化物強誘電体層との間に酸化物半導体層が
存在するので、基板と酸化物強誘電体層との間での原子
の相互拡散が発生しない。したがって、酸化物半導体層
と酸化物強誘電体層との間の界面が良好となり、良好な
不揮発性メモリ動作が実現される。[0018] An oxide semiconductor layer can be easily formed over the substrate. Further, since the oxide semiconductor layer has a high reducing property with respect to the oxide ferroelectric layer, generation of oxygen vacancies near the interface of the oxide ferroelectric layer is prevented. Further, since the oxide semiconductor layer exists between the substrate and the oxide ferroelectric layer, interdiffusion of atoms between the substrate and the oxide ferroelectric layer does not occur. Therefore, the interface between the oxide semiconductor layer and the oxide ferroelectric layer is good, and a favorable nonvolatile memory operation is realized.
【0019】特に、基板は半導体基板が良く、シリコン
基板からなることが好ましい。また、酸化物半導体層が
酸化亜鉛からなることが好ましい。この場合、シリコン
基板上には酸化亜鉛を容易に形成することができる。In particular, the substrate is preferably a semiconductor substrate, and is preferably made of a silicon substrate. Further, the oxide semiconductor layer is preferably formed using zinc oxide. In this case, zinc oxide can be easily formed on the silicon substrate.
【0020】また、半導体基板上に所定間隔を隔てて第
1および第2の電極が形成され、第1の電極と第2の電
極との間の半導体基板の領域上に酸化物半導体層、酸化
物強誘電体層および第3の電極が順に形成され、酸化物
半導体層が酸化物強誘電体層に比べて高い還元性を有し
てもよい。なお、第1の電極、第2の電極および酸化物
半導体層は、半導体基板上に直接形成されてもよく、あ
るいは半導体基板上の半導体層上に形成されてもよい。Further, first and second electrodes are formed on the semiconductor substrate at predetermined intervals, and an oxide semiconductor layer and an oxide are formed on a region of the semiconductor substrate between the first electrode and the second electrode. The material ferroelectric layer and the third electrode may be sequentially formed, and the oxide semiconductor layer may have a higher reducing property than the oxide ferroelectric layer. Note that the first electrode, the second electrode, and the oxide semiconductor layer may be formed directly over the semiconductor substrate or may be formed over the semiconductor layer over the semiconductor substrate.
【0021】この場合には、第3の電極に電圧を印加す
ると、第1の電極と第2の電極との間における半導体基
板の領域にチャネルが形成される。すなわち、半導体基
板がチャンネリング層として働く。In this case, when a voltage is applied to the third electrode, a channel is formed in a region of the semiconductor substrate between the first electrode and the second electrode. That is, the semiconductor substrate functions as a channeling layer.
【0022】半導体基板上には酸化物半導体層を容易に
形成することができる。また、酸化物半導体層が酸化物
強誘電体層に対して高い還元性を有するので、酸化物強
誘電体層中の酸素が酸化物半導体層中に取り込まれるこ
とがなく、酸化物強誘電体層の界面付近での酸素欠陥の
発生が防止される。さらに、半導体基板と酸化物強誘電
体層との間に酸化物半導体層が存在するので、半導体基
板と酸化物強誘電体層との間での原子の相互拡散が発生
しない。したがって、酸化物半導体層と酸化物強誘電体
層との間の界面が良好となり、良好な不揮発性メモリ動
作が実現される。An oxide semiconductor layer can be easily formed over a semiconductor substrate. Further, since the oxide semiconductor layer has a high reducing property with respect to the oxide ferroelectric layer, oxygen in the oxide ferroelectric layer is not taken into the oxide semiconductor layer, and Occurrence of oxygen vacancies near the interface of the layers is prevented. Furthermore, since the oxide semiconductor layer exists between the semiconductor substrate and the oxide ferroelectric layer, mutual diffusion of atoms between the semiconductor substrate and the oxide ferroelectric layer does not occur. Therefore, the interface between the oxide semiconductor layer and the oxide ferroelectric layer is good, and a favorable nonvolatile memory operation is realized.
【0023】特に、半導体基板がシリコン基板からなる
ことが好ましい。また、酸化物半導体層が酸化亜鉛から
なることが好ましい。この場合、シリコン基板上には酸
化亜鉛を容易に形成することができる。In particular, the semiconductor substrate is preferably made of a silicon substrate. Further, the oxide semiconductor layer is preferably formed using zinc oxide. In this case, zinc oxide can be easily formed on the silicon substrate.
【0024】特に、基板が(111)面を有するシリコ
ン基板であり、酸化物半導体層が、シリコン基板の(1
11)面上に形成された酸化亜鉛からなることが好まし
い。なお、酸化亜鉛は、シリコン基板の(111)面上
に直接形成されてもよく、あるいはシリコン基板の(1
11)面上のシリコン層上に形成されてもよい。In particular, the substrate is a silicon substrate having a (111) plane, and the oxide semiconductor layer is a silicon substrate having a (1) plane.
11) It is preferably made of zinc oxide formed on the surface. The zinc oxide may be formed directly on the (111) plane of the silicon substrate, or may be formed on the (1) surface of the silicon substrate.
11) It may be formed on a silicon layer on the surface.
【0025】シリコン基板の(111)面上には面方位
(001)の酸化亜鉛が容易にエピタキシャル成長し、
また酸化亜鉛の(001)面上には三方晶系または六方
晶系の酸化物強誘電体が容易にエピタキシャル成長す
る。さらに、シリコン基板表面のダングリングボンドを
亜鉛で終端することによりシリコン基板と酸化物半導体
層との間に良好な界面を形成することができる。また、
酸化亜鉛が酸化物強誘電体層に対して高い還元性を有す
るので、酸化物強誘電体層の界面付近での酸素欠陥の発
生を防止することができる。したがって、より良好な不
揮発性メモリ特性を有する強誘電体メモリを容易に製造
することができる。On the (111) plane of the silicon substrate, zinc oxide having a plane orientation (001) is easily epitaxially grown.
On the (001) plane of zinc oxide, a trigonal or hexagonal oxide ferroelectric is easily epitaxially grown. Further, by terminating dangling bonds on the surface of the silicon substrate with zinc, a favorable interface can be formed between the silicon substrate and the oxide semiconductor layer. Also,
Since zinc oxide has a high reducing property with respect to the oxide ferroelectric layer, generation of oxygen vacancies near the interface of the oxide ferroelectric layer can be prevented. Therefore, a ferroelectric memory having better nonvolatile memory characteristics can be easily manufactured.
【0026】半導体層が三方晶系または六方晶系酸化物
半導体からなり、強誘電体層が三方晶系または六方晶系
強誘電体からなることが好ましい。この場合、酸化物半
導体が強誘電体に対して高い還元性を有するので、強誘
電体層から半導体層に酸素が取り込まれることがなく、
強誘電体層の界面付近での酸素欠陥の発生が防止され
る。また、三方晶系または六方晶系酸化物半導体上には
三方晶系または六方晶系強誘電体が容易にエピタキシャ
ル成長する。したがって、半導体層と強誘電体層との良
好な界面を容易に形成することが可能となる。Preferably, the semiconductor layer is made of a trigonal or hexagonal oxide semiconductor, and the ferroelectric layer is made of a trigonal or hexagonal ferroelectric. In this case, since the oxide semiconductor has a high reducing property with respect to the ferroelectric, oxygen is not taken into the semiconductor layer from the ferroelectric layer,
Oxygen deficiency near the interface of the ferroelectric layer is prevented. Further, a trigonal or hexagonal ferroelectric is easily epitaxially grown on a trigonal or hexagonal oxide semiconductor. Therefore, a good interface between the semiconductor layer and the ferroelectric layer can be easily formed.
【0027】[0027]
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施例における
強誘電体メモリの模式的断面図である。図1において、
Si基板1の(111)面上にn型ZnO層2が形成さ
れている。n型ZnO層2の表面には所定間隔を隔てて
p+ 層(高不純物濃度層)3,4が形成され、p+ 層
3,4間におけるn型ZnO層2の領域上にLiTaO
3(タンタル酸リチウム)からなる強誘電体層5が形成
されている。p+ 層3,4上にはそれぞれソース電極6
およびドレイン電極7が形成され、強誘電体層5上には
ゲート電極8が形成されている。FIG. 1 is a schematic sectional view of a ferroelectric memory according to an embodiment of the present invention. In FIG.
An n-type ZnO layer 2 is formed on a (111) plane of a Si substrate 1. on the surface of the n-type ZnO layer 2 p + layer (high impurity concentration layer) at a predetermined distance 3,4 it is formed, LiTaO over the area of the n-type ZnO layer 2 between the p + layer 3, 4
A ferroelectric layer 5 made of 3 (lithium tantalate) is formed. Source electrodes 6 are formed on p + layers 3 and 4 respectively.
And a drain electrode 7, and a gate electrode 8 is formed on the ferroelectric layer 5.
【0028】次に、図1の強誘電体メモリの製造方法に
ついて説明する。図2は図1の強誘電体メモリの製造に
用いられるECR(電子サイクロトロン共鳴)イオンビ
ームスパッタ装置の概略図である。Next, a method of manufacturing the ferroelectric memory shown in FIG. 1 will be described. FIG. 2 is a schematic diagram of an ECR (Electron Cyclotron Resonance) ion beam sputtering apparatus used for manufacturing the ferroelectric memory of FIG.
【0029】図2において、反応室11にはECRイオ
ン源12およびカウフマンイオン源13が取り付けられ
ている。この反応室11内には基板ホルダ14およびタ
ーゲットホルダ15が設置され、基板ホルダ14にはS
i基板1が装着され、ターゲットホルダ15にはZn
(亜鉛)ターゲット15A、LiTaO3 ターゲット1
5BおよびAl(アルミニウム)ターゲット15Cが装
着される。また、反応室11にはメインバルブ16が設
けられ、排気系としてターボポンプ17、クライオポン
プ18およびロータリーポンプ19が設けられている。In FIG. 2, an ECR ion source 12 and a Kauffman ion source 13 are installed in a reaction chamber 11. In the reaction chamber 11, a substrate holder 14 and a target holder 15 are installed.
i substrate 1 is mounted, and Zn
(Zinc) target 15A, LiTaO 3 target 1
5B and an Al (aluminum) target 15C are mounted. Further, a main valve 16 is provided in the reaction chamber 11, and a turbo pump 17, a cryopump 18 and a rotary pump 19 are provided as an exhaust system.
【0030】まず、800℃で1時間以上のサーマルア
ニールを行うことにより、厚さ300μmのSi基板1
表面の自然酸化膜を除去する。その後、Si基板1の
(111)面上に、イオンビームスパッタ法により厚さ
100nmのn型ZnO層2を形成する。この場合、ま
ずZnを30Å/分の成長速度で5〜10秒堆積させる
ことにより、Si基板1表面のダングリングボンドをZ
nで終端した後、ZnOを成長させる。これにより、S
i基板1とn型ZnO層2との間に良好な界面が得られ
る。n型ZnO層2の形成の際にはZnターゲット15
Aを用い、n型ドーパントしてはAlを用いる。ZnO
層2の形成条件を表1に示す。First, a 300 μm-thick Si substrate 1 is subjected to thermal annealing at 800 ° C. for 1 hour or more.
The natural oxide film on the surface is removed. Thereafter, an n-type ZnO layer 2 having a thickness of 100 nm is formed on the (111) plane of the Si substrate 1 by an ion beam sputtering method. In this case, the dangling bond on the surface of the Si substrate 1 is first deposited by depositing Zn at a growth rate of 30 ° / min for 5 to 10 seconds.
After terminating with n, ZnO is grown. Thereby, S
A good interface is obtained between the i-substrate 1 and the n-type ZnO layer 2. When forming the n-type ZnO layer 2, the Zn target 15
A is used, and Al is used as the n-type dopant. ZnO
Table 1 shows the conditions for forming the layer 2.
【0031】[0031]
【表1】 [Table 1]
【0032】次に、n型ZnO層2の表面に所定間隔を
隔ててイオン注入法によりp+ 層3,4を形成する。p
型ドーパントとしては、Li(リチウム)、Na(ナト
リウム)等を用いる。Next, p + layers 3 and 4 are formed on the surface of the n-type ZnO layer 2 at predetermined intervals by ion implantation. p
As a type dopant, Li (lithium), Na (sodium), or the like is used.
【0033】次いで、p+ 層3,4間におけるn型Zn
O層2の領域上に、LiTaO3 ターゲット15Bを用
いてイオンビームスパッタ法により厚さ300nmのL
iTaO3 からなる強誘電体層5を形成する。強誘電体
層5の形成条件を表2に示す。Next, n-type Zn between the p + layers 3 and 4
On the region of the O layer 2, a 300 nm-thick L was formed by ion beam sputtering using a LiTaO 3 target 15B.
A ferroelectric layer 5 made of iTaO 3 is formed. Table 2 shows the conditions for forming the ferroelectric layer 5.
【0034】[0034]
【表2】 [Table 2]
【0035】その後、p+ 層3,4上に、Alターゲッ
ト15Cを用いてイオンビームスパッタ法により厚さ3
00nmのAlからなるソース電極6およびドレイン電
極7をそれぞれ形成し、強誘電体層5上にイオンビーム
スパッタ法により厚さ300nmのAlからなるゲート
電極8を形成する。ソース電極6とドレイン電極7との
間の距離は200μmとする。ソース電極6、ドレイン
電極7およびゲート電極8の形成条件を表3に示す。After that, on the p + layers 3 and 4, a thickness of 3 was formed by ion beam sputtering using an Al target 15 C.
A source electrode 6 and a drain electrode 7 made of Al having a thickness of 00 nm are formed, and a gate electrode 8 made of Al having a thickness of 300 nm is formed on the ferroelectric layer 5 by an ion beam sputtering method. The distance between the source electrode 6 and the drain electrode 7 is 200 μm. Table 3 shows the conditions for forming the source electrode 6, the drain electrode 7, and the gate electrode 8.
【0036】[0036]
【表3】 [Table 3]
【0037】なお、ソース電極6、ドレイン電極7およ
びゲート電極8の材料としてPt,Au等を用いてもよ
い。次に、上記のようにして製造された強誘電体メモリ
の動作を説明する。ゲート電極8に負のゲート電圧を印
加すると、強誘電体層5のゲート電極8との界面が正に
帯電し、n型ZnO層2との界面が負に帯電する。それ
により、p+ 層3,4間におけるn型ZnO層2の領域
にチャネルが形成される。したがって、ソース・ドレイ
ン間電圧を印加すると、ソース・ドレイン間に電流が流
れる。強誘電体層5の分極はゲート電極8への印加電圧
を0にした後も持続するので、ソース・ドレイン間電圧
を印加すると、チャネルを介してソース・ドレイン間に
電流が流れる。このように、不揮発性メモリ動作が実現
される。The source electrode 6, the drain electrode 7, and the gate electrode 8 may be made of Pt, Au, or the like. Next, the operation of the ferroelectric memory manufactured as described above will be described. When a negative gate voltage is applied to the gate electrode 8, the interface of the ferroelectric layer 5 with the gate electrode 8 is positively charged, and the interface with the n-type ZnO layer 2 is negatively charged. Thereby, a channel is formed in the region of the n-type ZnO layer 2 between the p + layers 3 and 4. Therefore, when a source-drain voltage is applied, a current flows between the source and the drain. Since the polarization of the ferroelectric layer 5 is maintained even after the voltage applied to the gate electrode 8 is set to 0, when a voltage between the source and the drain is applied, a current flows between the source and the drain via the channel. Thus, a non-volatile memory operation is realized.
【0038】本実施例の強誘電体メモリにおいて、Si
基板1の(111)面上には面方位(001)のZnO
が容易にエピタキシャル成長する。また、ZnOは六方
晶系結晶であるので、ZnO層2の(001)面上には
三回対称性または六回対称性を有する強誘電体層5が容
易にエピタキシャル成長する。したがって、製造プロセ
スが容易となる。In the ferroelectric memory of the present embodiment,
On the (111) plane of the substrate 1, ZnO having a plane orientation (001)
Easily grows epitaxially. Further, since ZnO is a hexagonal crystal, a ferroelectric layer 5 having three-fold or six-fold symmetry is easily epitaxially grown on the (001) plane of the ZnO layer 2. Therefore, the manufacturing process becomes easy.
【0039】また、Si基板1表面のタングリングボン
ドをZnで終端することによりSi基板1とZnO層2
との間に良好な界面を形成することが可能となる。ま
た、ZnOが強誘電体層5に比べて高い高還元性を有す
るので、分極を繰り返しても強誘電体層5中の酸素がZ
nO層2中へ取り込まれず、強誘電体層5の界面付近に
酸素欠陥が発生することが防止される。それにより、Z
nO層2と強誘電体層5との間に良好な界面を形成する
ことが可能となる。Further, by terminating the tongue bond on the surface of the Si substrate 1 with Zn, the Si substrate 1 and the ZnO layer 2 are terminated.
And a good interface can be formed between them. In addition, since ZnO has a higher reducibility than the ferroelectric layer 5, even if the polarization is repeated, oxygen in the ferroelectric layer 5 is changed to ZO.
Oxygen vacancies are prevented from being generated near the interface of the ferroelectric layer 5 without being taken into the nO layer 2. Thereby, Z
A good interface can be formed between the nO layer 2 and the ferroelectric layer 5.
【0040】図3は図1の強誘電体メモリの素子特性の
シミュレーション結果を示す図である。図3の横軸は最
初にゲート電極8に印加したゲート電圧であり、縦軸は
ゲート電極8への印加電圧を0にしたときにソース・ド
レイン間に流れる電流値である。なお、ソース・ドレイ
ン間電圧は10Vである。FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of element characteristics of the ferroelectric memory of FIG. The horizontal axis in FIG. 3 is the gate voltage applied to the gate electrode 8 first, and the vertical axis is the current value flowing between the source and the drain when the voltage applied to the gate electrode 8 is 0. The source-drain voltage is 10V.
【0041】図3のシミュレーション結果から、ゲート
電極8に40V以上の電圧を印加して強誘電体層5を十
分に分極させておくと、ゲート電極8への印加電圧を0
にした後も一定のソース・ドレイン間電流が流れること
がわかる。したがって、図1の強誘電体メモリは良好な
不揮発性メモリ動作を行うことができる図4は図1の強
誘電体メモリを周辺回路とともにSi基板に形成した例
を示す模式的断面図である。According to the simulation results shown in FIG. 3, when a voltage of 40 V or more is applied to the gate electrode 8 to sufficiently polarize the ferroelectric layer 5, the voltage applied to the gate electrode 8 becomes zero.
It can be seen that a constant current between the source and the drain flows even after the setting. Therefore, the ferroelectric memory of FIG. 1 can perform a good nonvolatile memory operation. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example in which the ferroelectric memory of FIG. 1 is formed on a Si substrate together with peripheral circuits.
【0042】図4に示すように、Si基板1上に本実施
例の強誘電体メモリ10およびMOSFET(金属酸化
物半導体電界効果トランジスタ)20が形成されてい
る。MOSFET20は、Si基板1の表面に所定間隔
を隔てて形成されたソース領域21およびドレイン領域
22、ならびにソース領域21とドレイン領域22との
間のSi基板1の領域上に酸化膜を介して形成されたゲ
ート電極23からなる。As shown in FIG. 4, a ferroelectric memory 10 and a MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) 20 of this embodiment are formed on a Si substrate 1. MOSFET 20 is formed on source region 21 and drain region 22 formed at predetermined intervals on the surface of Si substrate 1, and on a region of Si substrate 1 between source region 21 and drain region 22 via an oxide film. The gate electrode 23 is formed.
【0043】このように、本実施例の強誘電体メモリは
他の素子または回路とともにSi基板1上に集積化する
ことが可能となる。図5は本発明の他の実施例における
強誘電体メモリの模式的断面図である。As described above, the ferroelectric memory of this embodiment can be integrated on the Si substrate 1 together with other elements or circuits. FIG. 5 is a schematic sectional view of a ferroelectric memory according to another embodiment of the present invention.
【0044】図5において、n型Si基板31の(11
1)面上に所定間隔を隔てp+ 層32,33が形成され
ている。p+ 層32,33間におけるn型Si基板31
の(111)面上にZnOバッファ層34が形成され、
ZnOバッファ層34上にLiTaO3 からなる強誘電
体層35が形成されている。p+ 層32,33上にはそ
れぞれソース電極36およびドレイン電極37が形成さ
れ、強誘電体層35上にはゲート電極38が形成されて
いる。In FIG. 5, (11) of the n-type Si substrate 31
1) The p + layers 32 and 33 are formed on the surface at predetermined intervals. n-type Si substrate 31 between p + layers 32 and 33
A ZnO buffer layer 34 is formed on the (111) plane of
On the ZnO buffer layer 34, a ferroelectric layer 35 made of LiTaO 3 is formed. A source electrode 36 and a drain electrode 37 are formed on the p + layers 32 and 33, respectively, and a gate electrode 38 is formed on the ferroelectric layer 35.
【0045】ここで、図5の強誘電体メモリの動作を説
明する。ゲート電極38に負のゲート電圧を印加する
と、強誘電体層35のゲート電極38との界面が正に帯
電し、ZnOバッファ層34との界面が負に帯電する。
それにより、p+ 層32,33間におけるSi基板31
の領域にチャネルが形成される。したがって、ソース・
ドレイン間電圧を印加すると、チャネルを介してソース
・ドレイン間に電流が流れる。ゲート電極38への印加
電圧を0にした後も、強誘電体層35の分極が持続する
ので、ソース・ドレイン間電圧を印加すると、チャネル
を介してソース・ドレイン間に電流が流れる。すなわ
ち、不揮発性メモリ動作が実現される。Here, the operation of the ferroelectric memory of FIG. 5 will be described. When a negative gate voltage is applied to the gate electrode 38, the interface of the ferroelectric layer 35 with the gate electrode 38 is positively charged, and the interface with the ZnO buffer layer 34 is negatively charged.
Thereby, the Si substrate 31 between the p + layers 32 and 33
A channel is formed in the region of. Therefore, the source
When a voltage between drains is applied, a current flows between the source and the drain via the channel. Even after the voltage applied to the gate electrode 38 is set to 0, the polarization of the ferroelectric layer 35 continues. Therefore, when a voltage between the source and the drain is applied, a current flows between the source and the drain via the channel. That is, a nonvolatile memory operation is realized.
【0046】本実施例の強誘電体メモリにおいても、S
i基板31の(111)面上に面方位(001)のZn
Oが容易にエピタキシャル成長し、ZnOバッファ層3
4の(001)面上に三回対称性または六回対称性を有
する強誘電体層35が容易にエピタキシャル成長するの
で、製造プロセスが容易となる。In the ferroelectric memory of the present embodiment, S
On the (111) plane of the i-substrate 31, Zn with the plane orientation (001)
O easily grows epitaxially, and the ZnO buffer layer 3
Since the ferroelectric layer 35 having three-fold or six-fold symmetry is easily epitaxially grown on the (001) plane of No. 4, the manufacturing process is facilitated.
【0047】また、Si基板31表面のダングリングボ
ンドをZnで終端することによりSi基板31とZnO
バッファ層34との間に良好な界面を形成することが可
能となる。また、ZnOが高い還元性を有するので、強
誘電体層35の界面付近での酸素欠陥の発生が防止さ
れ、ZnOバッファ層34と強誘電体層35との間に良
好な界面を形成することが可能となる。したがって、良
好な不揮発性メモリ動作が実現される。Further, by terminating dangling bonds on the surface of the Si substrate 31 with Zn, the Si substrate 31 and the ZnO
A good interface can be formed with the buffer layer 34. Further, since ZnO has a high reducing property, generation of oxygen defects near the interface of the ferroelectric layer 35 is prevented, and a good interface between the ZnO buffer layer 34 and the ferroelectric layer 35 is formed. Becomes possible. Therefore, a favorable nonvolatile memory operation is realized.
【0048】なお、上記実施例では、強誘電体層5,3
5の材料としてLiTaO3 を用いているが、LiTa
O3 の代わりにLiNbO3 (ニオブ酸リチウム)、P
ZT系、BaTiO3 (チタン酸バリウム)等の他の強
誘電体を用いても、上記実施例と同様に不揮発性メモリ
として高特性を得ることができる。ここで、PZT系と
は、(PbTiO3 )X (PbZrO3 )1-X であり、
0≦X≦1である。In the above embodiment, the ferroelectric layers 5, 3
Although LiTaO 3 is used as the material of No. 5,
LiNbO 3 (lithium niobate), P instead of O 3
Even if another ferroelectric such as ZT or BaTiO 3 (barium titanate) is used, high characteristics can be obtained as a nonvolatile memory as in the above embodiment. Here, the PZT system is (PbTiO 3 ) x (PbZrO 3 ) 1 -X ,
0 ≦ X ≦ 1.
【0049】また、上記実施例では、各層および電極を
形成するために、イオンビームスパッタ法を用いている
が、これに限定されず,各層についてはMBE法(分子
線エピタキシャル成長法)、CVD法(化学的気相成長
法)等の他の成長法を用いてもよく、各電極については
蒸着法等の他の形成方法を用いてもよい。In the above embodiment, the ion beam sputtering method is used to form each layer and electrode. However, the present invention is not limited to this. For each layer, the MBE method (molecular beam epitaxial growth method), the CVD method ( Other growth methods such as chemical vapor deposition may be used, and other formation methods such as vapor deposition may be used for each electrode.
【0050】さらに、上記実施例では、p型チャネルを
有する強誘電体メモリについて説明したが、各層の導電
型を逆にすることによりn型チャネルを有する強誘電体
メモリも実現される。Further, in the above embodiment, the ferroelectric memory having the p-type channel has been described. However, the ferroelectric memory having the n-type channel can be realized by reversing the conductivity type of each layer.
【0051】また、上記実施例では、ZnO層2または
ZnOバッファ層34がSi基板1または31上に直接
形成されているが、ZnO層2またはZnOバッファ層
34がSi基板1または31上に形成されたSi層上に
形成されてもよい。In the above embodiment, the ZnO layer 2 or the ZnO buffer layer 34 is formed directly on the Si substrate 1 or 31, but the ZnO layer 2 or the ZnO buffer layer 34 is formed on the Si substrate 1 or 31. May be formed on the formed Si layer.
【0052】さらに、図1の実施例では、Si基板1上
のZnO層2にFET構造を形成しているが、ZnO基
板にFET構造を形成してもよい。Further, in the embodiment of FIG. 1, the FET structure is formed on the ZnO layer 2 on the Si substrate 1, but the FET structure may be formed on the ZnO substrate.
【図1】本発明の一実施例における強誘電体メモリの模
式的断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a ferroelectric memory according to one embodiment of the present invention.
【図2】図1の強誘電体メモリの製造に用いるECRイ
オンビームスパッタ装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of an ECR ion beam sputtering apparatus used for manufacturing the ferroelectric memory of FIG.
【図3】図1の強誘電体メモリの素子特性のシミュレー
ション結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of element characteristics of the ferroelectric memory of FIG. 1;
【図4】図1の強誘電体メモリを周辺回路とともにSi
基板上に形成した例を示す模式的断面図である。FIG. 4 shows the ferroelectric memory of FIG.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example formed on a substrate.
【図5】本発明の他の実施例における強誘電体メモリの
模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic sectional view of a ferroelectric memory according to another embodiment of the present invention.
【図6】従来の強誘電体メモリの一例を示す模式的断面
図である。FIG. 6 is a schematic sectional view showing an example of a conventional ferroelectric memory.
【図7】従来の強誘電体メモリの他の例を示す模式的断
面図である。FIG. 7 is a schematic sectional view showing another example of a conventional ferroelectric memory.
1 Si基板 2 n型ZnO層 3,4,32,33 p+ 層 5,35 強誘電体層 6,36 ソース電極 7,37 ドレイン電極 8,38 ゲート電極 31 n型Si基板 34 ZnOバッファ層Reference Signs List 1 Si substrate 2 n-type ZnO layer 3, 4, 32, 33 p + layer 5, 35 ferroelectric layer 6, 36 source electrode 7, 37 drain electrode 8, 38 gate electrode 31 n-type Si substrate 34 ZnO buffer layer
───────────────────────────────────────────────────── 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 29/788 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical indication H01L 29/788 29/792
Claims (7)
び第2の電極が形成され、前記第1の電極と前記第2の
電極との間の前記半導体層の領域上に酸化物からなる強
誘電体層が形成され、前記強誘電体層上に第3の電極が
形成され、前記半導体層は前記強誘電体層に比べて高い
還元性を有することを特徴とする強誘電体メモリ。A first electrode formed on the semiconductor layer at a predetermined interval from an oxide on a region of the semiconductor layer between the first electrode and the second electrode; A ferroelectric memory, wherein a third electrode is formed on the ferroelectric layer, and the semiconductor layer has a higher reducing property than the ferroelectric layer. .
記酸化物半導体層上に所定間隔を隔てて第1および第2
の電極が形成され、前記第1の電極と前記第2の電極と
の間の前記酸化物半導体層の領域上に酸化物強誘電体層
が形成され、前記酸化物強誘電体層上に第3の電極が形
成され、前記酸化物半導体層は前記酸化物強誘電体層に
比べて高い還元性を有することを特徴とする強誘電体メ
モリ。2. An oxide semiconductor layer is formed on a substrate, and first and second oxide semiconductor layers are formed on the oxide semiconductor layer at predetermined intervals.
Are formed, an oxide ferroelectric layer is formed on a region of the oxide semiconductor layer between the first electrode and the second electrode, and a second ferroelectric layer is formed on the oxide ferroelectric layer. 3. A ferroelectric memory, wherein three electrodes are formed, and the oxide semiconductor layer has a higher reducing property than the oxide ferroelectric layer.
よび第2の電極が形成され、前記第1の電極と前記第2
の電極との間の前記半導体基板の領域上に酸化物半導体
層、酸化物強誘電体層および第3の電極が順に形成さ
れ、前記酸化物半導体層は前記酸化物強誘電体層に比べ
て高い還元性を有することを特徴とする強誘電体メモ
リ。3. A first electrode and a second electrode are formed on a semiconductor substrate at a predetermined interval, and the first electrode and the second electrode are formed.
An oxide semiconductor layer, an oxide ferroelectric layer, and a third electrode are sequentially formed on a region of the semiconductor substrate between the first electrode and the second electrode, and the oxide semiconductor layer is compared with the oxide ferroelectric layer. A ferroelectric memory having high reducibility.
特徴とする請求項2または3記載の強誘電体メモリ。4. The ferroelectric memory according to claim 2, wherein said substrate comprises a silicon substrate.
ン基板であり、前記酸化物半導体層は、前記シリコン基
板の前記(111)面上に形成された酸化亜鉛からなる
ことを特徴とする請求項2、3または4記載の強誘電体
メモリ。5. The method according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate having a (111) plane, and the oxide semiconductor layer is made of zinc oxide formed on the (111) plane of the silicon substrate. Item 5. The ferroelectric memory according to item 2, 3 or 4.
特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の強誘電体メ
モリ。6. The ferroelectric memory according to claim 1, wherein said semiconductor layer is made of zinc oxide.
酸化物半導体からなり、前記強誘電体層は三方晶系また
は六方晶系強誘電体からなることを特徴とする請求項1
〜6のいずれかに記載の強誘電体メモリ。7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of a trigonal or hexagonal oxide semiconductor, and the ferroelectric layer is made of a trigonal or hexagonal ferroelectric.
7. The ferroelectric memory according to any one of items 1 to 6.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8193080A JPH1041477A (en) | 1996-07-23 | 1996-07-23 | Ferroelectric memory |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP8193080A JPH1041477A (en) | 1996-07-23 | 1996-07-23 | Ferroelectric memory |
Publications (1)
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