JPH07202039A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
不揮発性半導体記憶装置Info
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- JPH07202039A JPH07202039A JP5334307A JP33430793A JPH07202039A JP H07202039 A JPH07202039 A JP H07202039A JP 5334307 A JP5334307 A JP 5334307A JP 33430793 A JP33430793 A JP 33430793A JP H07202039 A JPH07202039 A JP H07202039A
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Links
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 読みだし・書き込み回数の制限のない不揮発
性半導体装置を提供する。 【構成】 電荷転送用トランジスタと強誘電体キャパシ
タによってメモリセルを構成した半導体記憶装置におい
て、キャパシタ材料に用いる強誘電体１０を （Ｐｂ1-a Ｃａa ）ＴｉＯ3 （ただし、ａ＝０．０
１〜０．４) または （Ｐｂ1-b Ｓｍb ）ＴｉＯ3 （ただし、ｂ＝０．０
５〜０．１５） または （Ｐｂ1-c Ｇｄc ）ＴｉＯ3 （ただし、ｃ＝０．０
５〜０．１５） のうちいずれかを主成分とする材料によって構成する。
性半導体装置を提供する。 【構成】 電荷転送用トランジスタと強誘電体キャパシ
タによってメモリセルを構成した半導体記憶装置におい
て、キャパシタ材料に用いる強誘電体１０を （Ｐｂ1-a Ｃａa ）ＴｉＯ3 （ただし、ａ＝０．０
１〜０．４) または （Ｐｂ1-b Ｓｍb ）ＴｉＯ3 （ただし、ｂ＝０．０
５〜０．１５） または （Ｐｂ1-c Ｇｄc ）ＴｉＯ3 （ただし、ｃ＝０．０
５〜０．１５） のうちいずれかを主成分とする材料によって構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、不揮発性半導体記憶装
置に関し、特に強誘電体を用いて不揮発性半導体記憶装
置に関するものである。
置に関し、特に強誘電体を用いて不揮発性半導体記憶装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より強誘電体を用いた不揮発性半導
体記憶装置は開発されている。例えば特開平２−１１０
８９３号公報には強誘電体キャパシタと電荷転送用トラ
ンジスタよりなるメモリセルを用いた不揮発性半導体記
憶装置が述べられている。
体記憶装置は開発されている。例えば特開平２−１１０
８９３号公報には強誘電体キャパシタと電荷転送用トラ
ンジスタよりなるメモリセルを用いた不揮発性半導体記
憶装置が述べられている。
【０００３】図３（ａ）は従来のメモリセルの等価回路
図および図３（ｂ）は強誘電体キャパシタの構造を示す
断面図である。図に示したようにメモリセルは強誘電体
３０を金属などの導電体からなるキャパシタ電極３１，
３２間に挟んだ強誘電体キャパシタＦＣと、このキャパ
シタの一方の電極とビット線ＢＬとの間に接続され、ゲ
ートがワード線ＷＬに接続されている電荷転送用トラン
ジスタＴＦとからなる。強誘電体としてはチタン酸ジル
コン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。このようなメモリセ
ルはＤＲＡＭと同様な構造で高い集積度が期待できる。
図および図３（ｂ）は強誘電体キャパシタの構造を示す
断面図である。図に示したようにメモリセルは強誘電体
３０を金属などの導電体からなるキャパシタ電極３１，
３２間に挟んだ強誘電体キャパシタＦＣと、このキャパ
シタの一方の電極とビット線ＢＬとの間に接続され、ゲ
ートがワード線ＷＬに接続されている電荷転送用トラン
ジスタＴＦとからなる。強誘電体としてはチタン酸ジル
コン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。このようなメモリセ
ルはＤＲＡＭと同様な構造で高い集積度が期待できる。
【０００４】次に動作を説明する。メモリセルに記憶内
容を書き込むには、強誘電体キャパシタの強誘電体を記
憶内容に対応した一方向に分極させることにより行う。
記憶内容を読みだすには強誘電体キャパシタに一定の電
界を印加し、強誘電体の分極反転の有無をビット線ＢＬ
に現れる電圧の変化によって検知する。したがって当メ
モリセルに読みだし・書き込みを行うには強誘電体の分
極を反転させる必要がある。
容を書き込むには、強誘電体キャパシタの強誘電体を記
憶内容に対応した一方向に分極させることにより行う。
記憶内容を読みだすには強誘電体キャパシタに一定の電
界を印加し、強誘電体の分極反転の有無をビット線ＢＬ
に現れる電圧の変化によって検知する。したがって当メ
モリセルに読みだし・書き込みを行うには強誘電体の分
極を反転させる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この従来の半導体記憶
装置では、強誘電体としてＰＺＴが用いられているた
め、記憶内容の読みだし・書き込みに伴う分極反転によ
りＰＺＴの電気的特性が劣化し読みだし・書き込み回数
は１０8 回に制限されるという課題がある。
装置では、強誘電体としてＰＺＴが用いられているた
め、記憶内容の読みだし・書き込みに伴う分極反転によ
りＰＺＴの電気的特性が劣化し読みだし・書き込み回数
は１０8 回に制限されるという課題がある。
【０００６】ＰＺＴ系セラミクスは異方性の小さい圧電
材料であるため、分極反転の際にかかるバイアスにより
基板面に垂直な方向のみならず水平方向にも材料の伸縮
が起こる。実際にＰＺＴの厚み横方向振動の電気機械結
合係数ｋｐは０．３から０．５に達する。基板面に垂直
方向では強誘電体の厚みが薄いため強誘電体の伸縮によ
る歪みは小さく問題とならないが、基板間に水平な方向
では強誘電体の伸縮により強誘電体中に大きな応力が発
生する。そのため強誘電体にマイクロクラックが発生
し、上記の動作により分極反転を繰り返した場合、電気
的特性が劣化することが明らかになっている。図４はＰ
ＺＴの分極反転の回数に対する残留分極Ｐｒの変化を示
した曲線図である。図に明らかなようにＰｒは分極反転
回数の増加に伴い顕著に減少する。分極反転によるビッ
ト数電位の差異はＰｒに比例するので、Ｐｒの減少は読
みだしマージンの低下さらには読みだしエラーを引き起
こす。そのため従来ＰＺＴを用いた不揮発メモリの読み
だし・書き込み回数は１０8回に制限されていた。（日
経マイクロデバイス１９９２年６月号ｐ．８０)
材料であるため、分極反転の際にかかるバイアスにより
基板面に垂直な方向のみならず水平方向にも材料の伸縮
が起こる。実際にＰＺＴの厚み横方向振動の電気機械結
合係数ｋｐは０．３から０．５に達する。基板面に垂直
方向では強誘電体の厚みが薄いため強誘電体の伸縮によ
る歪みは小さく問題とならないが、基板間に水平な方向
では強誘電体の伸縮により強誘電体中に大きな応力が発
生する。そのため強誘電体にマイクロクラックが発生
し、上記の動作により分極反転を繰り返した場合、電気
的特性が劣化することが明らかになっている。図４はＰ
ＺＴの分極反転の回数に対する残留分極Ｐｒの変化を示
した曲線図である。図に明らかなようにＰｒは分極反転
回数の増加に伴い顕著に減少する。分極反転によるビッ
ト数電位の差異はＰｒに比例するので、Ｐｒの減少は読
みだしマージンの低下さらには読みだしエラーを引き起
こす。そのため従来ＰＺＴを用いた不揮発メモリの読み
だし・書き込み回数は１０8回に制限されていた。（日
経マイクロデバイス１９９２年６月号ｐ．８０)
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、記憶内容の読
みだし・書き込みに伴う分極反転による強誘電体の劣
化、いわゆる疲労による読みだし・書き込み回数の制限
の無い半導体記憶装置を提供することを目的とする。こ
のため本発明の半導体記憶装置では、電荷転送用トラン
ジスタと強誘電体キャパシタによってメモリセルを構成
した半導体記憶装置において、上記強誘電体が （Ｐｂ1-a Ｃａa ）ＴｉＯ3 （ただし、ａ＝０．０
１〜０．４) または （Ｐｂ1-b Ｓｍb ）ＴｉＯ3 （ただし、ｂ＝０．０
５〜０．１５） または （Ｐｂ1-c Ｇｄc ）ＴｉＯ3 （ただし、ｃ＝０．０
５〜０．１５） のうちいずれかを主成分とする材料によって構成するこ
とにより上記目的を達成している。
みだし・書き込みに伴う分極反転による強誘電体の劣
化、いわゆる疲労による読みだし・書き込み回数の制限
の無い半導体記憶装置を提供することを目的とする。こ
のため本発明の半導体記憶装置では、電荷転送用トラン
ジスタと強誘電体キャパシタによってメモリセルを構成
した半導体記憶装置において、上記強誘電体が （Ｐｂ1-a Ｃａa ）ＴｉＯ3 （ただし、ａ＝０．０
１〜０．４) または （Ｐｂ1-b Ｓｍb ）ＴｉＯ3 （ただし、ｂ＝０．０
５〜０．１５） または （Ｐｂ1-c Ｇｄc ）ＴｉＯ3 （ただし、ｃ＝０．０
５〜０．１５） のうちいずれかを主成分とする材料によって構成するこ
とにより上記目的を達成している。
【０００８】
【作用】（Ｐｂ1-a Ｃａa ）ＴｉＯ3 系組成物は例えば
特開昭５８−１８６９８２号公報に示されているよう
に、ａ＝０．０１〜０．４の組成範囲でｋｐ＜０．０５
となり基板面の水平方向における分極反転に伴う歪みが
非常に小さい。また（Ｐｂ1-s ＳｍS ）ＴｉＯ3 系組成
物および（Ｐｂ1-c ＧｄC ）ＴｉＯ3 は例えば第４回強
誘電体応用会議講演予稿集で述べられているようにｓ＝
０．０５〜０．１５の範囲でｋｐ＜０．０５となり、同
様に基板面の水平方向における分極反転に伴う歪みが非
常に小さい。
特開昭５８−１８６９８２号公報に示されているよう
に、ａ＝０．０１〜０．４の組成範囲でｋｐ＜０．０５
となり基板面の水平方向における分極反転に伴う歪みが
非常に小さい。また（Ｐｂ1-s ＳｍS ）ＴｉＯ3 系組成
物および（Ｐｂ1-c ＧｄC ）ＴｉＯ3 は例えば第４回強
誘電体応用会議講演予稿集で述べられているようにｓ＝
０．０５〜０．１５の範囲でｋｐ＜０．０５となり、同
様に基板面の水平方向における分極反転に伴う歪みが非
常に小さい。
【０００９】このような材料を強誘電体キャパシタとし
て用いることにより、分極反転に伴う歪みの発生が抑え
られ、分極反転を繰り返しても電気的特性の劣化を生じ
ない。そのため読みだし・書き込み回数の制限のない半
導体記憶装置とすることができる。
て用いることにより、分極反転に伴う歪みの発生が抑え
られ、分極反転を繰り返しても電気的特性の劣化を生じ
ない。そのため読みだし・書き込み回数の制限のない半
導体記憶装置とすることができる。
【００１０】
（実施例１)図１は本発明の一実施例を示す半導体記憶
装置の断面図である。シリコン基板１の表面に素子分離
用のフィールド酸化膜２が形成された後に、素子領域の
基板表面上にゲート絶縁膜３を介してポリシリコンのワ
ード線４を形成する。次に上記電荷転送用トランジスタ
のソースまたはドレインになる不純物拡散領域５，５′
が形成され、その上に層間絶縁膜６が形成されている。
絶縁膜６に前記電荷転送用トランジスタのソースまたは
ドレインになる一方の不純物拡散領域５まで達するよう
にコンタクトホールが形成された後、ポリシリコン７を
堆積し導電性のコンタクトをとる。ポリシリコン上にシ
リコン拡散バリアメタル層となる窒化チタン層８、強誘
電体下部電極となる白金層９を形成しパターニングされ
て個々のメモリセル用として独立した強誘電体キャパシ
タの一方の電極が形成される。次に強誘電体１０がスパ
ッタ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法、レーザーアブレージ
ョン法等により形成される。本実施例では（Ｐｂ0.75Ｃ
ａ0.25）ＴｉＯ3 をゾル・ゲル法により形成する方法を
説明する。所定量の酢酸鉛、イソプロポキシカルシウ
ム、イソプロポキシチタンをメトキシエタノールに溶解
し１２０℃で２４時間加熱撹拌する。この溶液を０．３
Ｍに希釈した後、上記した基板上に３０００ｒｐｍで１
分間スピンコートし、酸素雰囲気中で６００℃で１０分
間熱処理する。この塗布および熱処理を合計３回繰り返
し膜厚３００ｎｍの強誘電体膜１０を作製した。この上
に上部電極白金層１１が形成される。
装置の断面図である。シリコン基板１の表面に素子分離
用のフィールド酸化膜２が形成された後に、素子領域の
基板表面上にゲート絶縁膜３を介してポリシリコンのワ
ード線４を形成する。次に上記電荷転送用トランジスタ
のソースまたはドレインになる不純物拡散領域５，５′
が形成され、その上に層間絶縁膜６が形成されている。
絶縁膜６に前記電荷転送用トランジスタのソースまたは
ドレインになる一方の不純物拡散領域５まで達するよう
にコンタクトホールが形成された後、ポリシリコン７を
堆積し導電性のコンタクトをとる。ポリシリコン上にシ
リコン拡散バリアメタル層となる窒化チタン層８、強誘
電体下部電極となる白金層９を形成しパターニングされ
て個々のメモリセル用として独立した強誘電体キャパシ
タの一方の電極が形成される。次に強誘電体１０がスパ
ッタ法、ＣＶＤ法、ゾル・ゲル法、レーザーアブレージ
ョン法等により形成される。本実施例では（Ｐｂ0.75Ｃ
ａ0.25）ＴｉＯ3 をゾル・ゲル法により形成する方法を
説明する。所定量の酢酸鉛、イソプロポキシカルシウ
ム、イソプロポキシチタンをメトキシエタノールに溶解
し１２０℃で２４時間加熱撹拌する。この溶液を０．３
Ｍに希釈した後、上記した基板上に３０００ｒｐｍで１
分間スピンコートし、酸素雰囲気中で６００℃で１０分
間熱処理する。この塗布および熱処理を合計３回繰り返
し膜厚３００ｎｍの強誘電体膜１０を作製した。この上
に上部電極白金層１１が形成される。
【００１１】図２はこのようにして得た（Ｐｂ0.75Ｃａ
0.25）ＴｉＯ3 強誘電体キャパシタと同様の方法で作製
したＰＺＴキャパシタのＰｒの疲労特性を示す曲線図で
ある。図に明らかなようにＰＺＴキャパシタのＰｒは１
０8 回の分極反転で既に大きく減少しているが本発明に
よる強誘電体キャパシタは１０12回の分極反転を行って
も全くＰｒの減少が見られない。
0.25）ＴｉＯ3 強誘電体キャパシタと同様の方法で作製
したＰＺＴキャパシタのＰｒの疲労特性を示す曲線図で
ある。図に明らかなようにＰＺＴキャパシタのＰｒは１
０8 回の分極反転で既に大きく減少しているが本発明に
よる強誘電体キャパシタは１０12回の分極反転を行って
も全くＰｒの減少が見られない。
【００１２】（実施例２)実施例１と同様にコンタクト
用のポリシリコン７まで形成した後に、バリアメタル層
８としてＲｕ、強誘電体下部電極層９として酸化ルテニ
ウムを形成する。この上に（Ｐｂ0.9 Ｓｍ0.1 ）ＴｉＯ
3 をＲＦスパッタリング法により形成する。スパッタリ
ング・ターゲットとして上記組成のセラミックを用い、
窒素・酸素混合雰囲気中でスパッタリングを行い膜厚２
５０ｎｍの膜を作製した。この後パターニングを行い個
々のキャパシタを形成する。この上に上部電極１１とし
て白金層を形成した。この強誘電体キャパシタの疲労特
性を測定したところ、１０12回の分極反転を行っても全
くＰｒの減少が見られない。同様に（Ｐｂ0.9 Ｇ
ｄ0.1 ）ＴｉＯ3 によるキャパシタを作製し１０12回の
分極反転を行っても全くＰｒの減少が見られない。
用のポリシリコン７まで形成した後に、バリアメタル層
８としてＲｕ、強誘電体下部電極層９として酸化ルテニ
ウムを形成する。この上に（Ｐｂ0.9 Ｓｍ0.1 ）ＴｉＯ
3 をＲＦスパッタリング法により形成する。スパッタリ
ング・ターゲットとして上記組成のセラミックを用い、
窒素・酸素混合雰囲気中でスパッタリングを行い膜厚２
５０ｎｍの膜を作製した。この後パターニングを行い個
々のキャパシタを形成する。この上に上部電極１１とし
て白金層を形成した。この強誘電体キャパシタの疲労特
性を測定したところ、１０12回の分極反転を行っても全
くＰｒの減少が見られない。同様に（Ｐｂ0.9 Ｇ
ｄ0.1 ）ＴｉＯ3 によるキャパシタを作製し１０12回の
分極反転を行っても全くＰｒの減少が見られない。
【００１３】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の半導体
装置によれば、強誘電体キャパシタの強誘電体として従
来のＰＺＴと異なりｋｐ＜０．０５となる強誘電体を用
いることにより、分極反転の繰り返しによる強誘電体の
劣化の影響を受けることがない。その結果読みだし・書
き込み回数が１０8 回より１０12回以上に大幅に向上し
た。
装置によれば、強誘電体キャパシタの強誘電体として従
来のＰＺＴと異なりｋｐ＜０．０５となる強誘電体を用
いることにより、分極反転の繰り返しによる強誘電体の
劣化の影響を受けることがない。その結果読みだし・書
き込み回数が１０8 回より１０12回以上に大幅に向上し
た。
【図１】本発明の実施例による半導体装置の断面図であ
る。
る。
【図２】本発明による強誘電体キャパシタと従来のＰＺ
Ｔによるキャパシタの疲労特性を示す曲線図である。
Ｔによるキャパシタの疲労特性を示す曲線図である。
【図３】（ａ）は強誘電体キャパシタを有する半導体記
憶装置のメモリセルの等価回路図、（ｂ）は同図（ａ）
中の強誘電体キャパシタの構造を示す断面図である。
憶装置のメモリセルの等価回路図、（ｂ）は同図（ａ）
中の強誘電体キャパシタの構造を示す断面図である。
【図４】ＰＺＴの自発分極の疲労特性を示す曲線図であ
る。
る。
１ シリコン基板 ２ フィールド酸化膜 ３ ゲート酸化膜 ４ ワード線 ５，５′ 不純物拡散領域 ６ 層間絶縁膜 ７ ポリシリコン ８ 下部電極バリアメタル層 ９ 下部電極 １０ 強誘電体 １１ 上部電極 １２ 層間絶縁膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/8242 27/108 27/115 7210−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 27/10 ４３４
Claims (1)
- 【請求項１】 電荷転送用トランジスタと強誘電体キャ
パシタによってメモリセルを構成した半導体記憶装置に
おいて、上記強誘電体が （Ｐｂ1-a Ｃａa ）ＴｉＯ3 （ただし、ａ＝０．０
１〜０．４) または （Ｐｂ1-b Ｓｍb ）ＴｉＯ3 （ただし、ｂ＝０．０
５〜０．１５） または （Ｐｂ1-c Ｇｄc ）ＴｉＯ3 （ただし、ｃ＝０．０
５〜０．１５） のうちいずれかを主成分とする材料によって構成されて
いることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5334307A JPH07202039A (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 不揮発性半導体記憶装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5334307A JPH07202039A (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 不揮発性半導体記憶装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07202039A true JPH07202039A (ja) | 1995-08-04 |
Family
ID=18275891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5334307A Pending JPH07202039A (ja) | 1993-12-28 | 1993-12-28 | 不揮発性半導体記憶装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07202039A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6121647A (en) * | 1996-06-26 | 2000-09-19 | Tdk Corporation | Film structure, electronic device, recording medium, and process of preparing ferroelectric thin films |
| KR100399017B1 (ko) * | 2000-10-07 | 2003-09-19 | 한국과학기술연구원 | 강유전체와 강자성체의 복합체 및 그 제조 방법 |
-
1993
- 1993-12-28 JP JP5334307A patent/JPH07202039A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6121647A (en) * | 1996-06-26 | 2000-09-19 | Tdk Corporation | Film structure, electronic device, recording medium, and process of preparing ferroelectric thin films |
| US6387712B1 (en) | 1996-06-26 | 2002-05-14 | Tdk Corporation | Process for preparing ferroelectric thin films |
| KR100399017B1 (ko) * | 2000-10-07 | 2003-09-19 | 한국과학기술연구원 | 강유전체와 강자성체의 복합체 및 그 제조 방법 |
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