JPH10256495A - 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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- JPH10256495A JPH10256495A JP9069085A JP6908597A JPH10256495A JP H10256495 A JPH10256495 A JP H10256495A JP 9069085 A JP9069085 A JP 9069085A JP 6908597 A JP6908597 A JP 6908597A JP H10256495 A JPH10256495 A JP H10256495A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明は強誘電性の劣化を抑制し、読み出し・
書き込み回数を向上させることのできる不揮発性半導体
記憶装置を提供する。 【解決手段】不揮発性半導体記憶装置10は、シリコン
基板11の表面にフィールド酸化膜12、ゲート絶縁膜
13、ワード線14、不純物拡散領域16a、16b及
び層間絶縁膜17が形成され、層間絶縁膜17に電荷転
送用トランジスタ15のソース又はドレインになる不純
物拡散領域16a、16bまで達するポリシリコン18
が堆積されている。ポリシリコン18上にシリコン拡散
バリアメタル層19と強誘電体20の下部電極21とな
る白金層が順次形成され、パターニング後、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22の上部
電極23が白金膜で形成されている。強誘電体20はジ
ルコン酸鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体であっ
て、Pb[(ZrxTi1-x)1-ySny]O3(ただし、
0.2<x<0.8、0.05<y<0.4)で示され
る組成を主成分とする材料を成膜して形成されている。
書き込み回数を向上させることのできる不揮発性半導体
記憶装置を提供する。 【解決手段】不揮発性半導体記憶装置10は、シリコン
基板11の表面にフィールド酸化膜12、ゲート絶縁膜
13、ワード線14、不純物拡散領域16a、16b及
び層間絶縁膜17が形成され、層間絶縁膜17に電荷転
送用トランジスタ15のソース又はドレインになる不純
物拡散領域16a、16bまで達するポリシリコン18
が堆積されている。ポリシリコン18上にシリコン拡散
バリアメタル層19と強誘電体20の下部電極21とな
る白金層が順次形成され、パターニング後、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22の上部
電極23が白金膜で形成されている。強誘電体20はジ
ルコン酸鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体であっ
て、Pb[(ZrxTi1-x)1-ySny]O3(ただし、
0.2<x<0.8、0.05<y<0.4)で示され
る組成を主成分とする材料を成膜して形成されている。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性半導体記
憶装置に関し、詳細には、強誘電体を用いた不揮発性半
導体記憶装置に関する。
憶装置に関し、詳細には、強誘電体を用いた不揮発性半
導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、強誘電体を用いた不揮発性半
導体記憶装置が開発されており、例えば、特開平2−1
10893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
導体記憶装置が提案されている。
導体記憶装置が開発されており、例えば、特開平2−1
10893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
導体記憶装置が提案されている。
【0003】従来の不揮発性半導体記憶装置は、図6
に、そのメモリセル1の等価回路を、図7に、強誘電体
キャパシタFCの構造断面を示すように、メモリセル1
は、強誘電体キャパシタFCと電荷転送用トランジスタ
TFを備えており、強誘電体キャパシタFCは、図6に
示すように、強誘電体2を金属などの導電体からなるキ
ャパシタ電極3、4間に挟んだ構造となっている。電荷
転送用トランジスタTFは、強誘電体キャパシタFCの
一方の電極、例えば、電極4とビット線BLとの間に接
続され、そのゲートがワード線WLに接続されている。
そして、強誘電体キャパシタFCの強誘電体2として
は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が用いられてい
る。このメモリセル1は、強誘電体キャパシタFCの強
誘電体2を記憶内容に対応した一方向に分極されること
により、記憶内容の書き込みが行われ、強誘電体キャパ
シタFCに一定の電界を印加して、強誘電体2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
知することにより、記憶内容の読み出しを行う。
に、そのメモリセル1の等価回路を、図7に、強誘電体
キャパシタFCの構造断面を示すように、メモリセル1
は、強誘電体キャパシタFCと電荷転送用トランジスタ
TFを備えており、強誘電体キャパシタFCは、図6に
示すように、強誘電体2を金属などの導電体からなるキ
ャパシタ電極3、4間に挟んだ構造となっている。電荷
転送用トランジスタTFは、強誘電体キャパシタFCの
一方の電極、例えば、電極4とビット線BLとの間に接
続され、そのゲートがワード線WLに接続されている。
そして、強誘電体キャパシタFCの強誘電体2として
は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が用いられてい
る。このメモリセル1は、強誘電体キャパシタFCの強
誘電体2を記憶内容に対応した一方向に分極されること
により、記憶内容の書き込みが行われ、強誘電体キャパ
シタFCに一定の電界を印加して、強誘電体2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
知することにより、記憶内容の読み出しを行う。
【0004】このようなメモリセル1は、DRAMと同
様な構造で高い集積度が期待できるが、メモリセル1に
記憶内容の読み出し・書き込みを行うには、強誘電体2
の分極を反転させる必要がある。
様な構造で高い集積度が期待できるが、メモリセル1に
記憶内容の読み出し・書き込みを行うには、強誘電体2
の分極を反転させる必要がある。
【0005】ところが、上記従来の不揮発性半導体記憶
装置では、強誘電体2としてPZTが用いられているた
め、記憶内容の読み出し・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、読み出し・書き込み
回数が、108 回に制限されるという問題があった。
装置では、強誘電体2としてPZTが用いられているた
め、記憶内容の読み出し・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、読み出し・書き込み
回数が、108 回に制限されるという問題があった。
【0006】すなわち、日経マイクロデバイス1992
年6月号P.80に記載されているように、PZTの分
極反転の回数に対する残留分極Prの変化を示す図8か
ら分かるように、残留分極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、残留分極Prに比例するので、残留分極Prの
減少は、読み出しマージンの低下、さらには、読み出し
エラーを引き起こす。その結果、従来のPZTを用いた
不揮発性半導体装置の読み出し・書き込み回数は、10
8 回に制限されていた。
年6月号P.80に記載されているように、PZTの分
極反転の回数に対する残留分極Prの変化を示す図8か
ら分かるように、残留分極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、残留分極Prに比例するので、残留分極Prの
減少は、読み出しマージンの低下、さらには、読み出し
エラーを引き起こす。その結果、従来のPZTを用いた
不揮発性半導体装置の読み出し・書き込み回数は、10
8 回に制限されていた。
【0007】このような問題に対して、従来、特開平7
−202039号公報記載の半導体装置が提案されてい
る。この半導体装置は、PZT強誘電体が劣化するの
は、90度ドメイン反転による機械的な膜披露が原因で
あるとして、強誘電体キャパシタの強誘電体として、電
気−機械結合係数の小さい強誘電体材料を採用してい
る。
−202039号公報記載の半導体装置が提案されてい
る。この半導体装置は、PZT強誘電体が劣化するの
は、90度ドメイン反転による機械的な膜披露が原因で
あるとして、強誘電体キャパシタの強誘電体として、電
気−機械結合係数の小さい強誘電体材料を採用してい
る。
【0008】ところが、PZT材料において分極軸と電
界方向が平行するように構造制御されたPZTのC軸配
向膜は、90度ドメイン反転が存在しないにも関わら
ず、108 回で劣化している。このことは、強誘電体の
劣化に、機械的要素以外の要因が存在することを示唆し
ている。
界方向が平行するように構造制御されたPZTのC軸配
向膜は、90度ドメイン反転が存在しないにも関わら
ず、108 回で劣化している。このことは、強誘電体の
劣化に、機械的要素以外の要因が存在することを示唆し
ている。
【0009】また、従来、特開平6−169862号公
報記載の半導体記憶装置が提案されている。この半導体
記憶装置は、強誘電体キャパシタの強誘電体として、鉛
を含まない強誘電体材料としてタングステンブロンズ型
強誘電体を採用している。
報記載の半導体記憶装置が提案されている。この半導体
記憶装置は、強誘電体キャパシタの強誘電体として、鉛
を含まない強誘電体材料としてタングステンブロンズ型
強誘電体を採用している。
【0010】さらに、WO 93/12542号公報で
は、強誘電体キャパシタの強誘電体として、ビスマス層
状構造強誘電体が用いられ、特に、このビスマス層状構
造強誘電体では、良好なFatigue耐性が得られて
いる。
は、強誘電体キャパシタの強誘電体として、ビスマス層
状構造強誘電体が用いられ、特に、このビスマス層状構
造強誘電体では、良好なFatigue耐性が得られて
いる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の不揮発性半導体記憶装置にあっては、PZT
のようなペロブスカイト構造強誘電体以外のタングステ
ンブロンズ型強誘電体やビスマス層状構造強誘電体は、
現在周知の薄膜型性技術においては、成膜でのプロセス
温度として、800℃を必要とし、半導体装置として、
強誘電体キャパシタの下部電極とトランジスタのソース
またはドレイン部を電気的に導通させるためのプラグ電
極との構成において、何らかのバリヤメタルを配置する
必要があり、現在、上記プロセス温度で十分良好なバリ
ヤ性を有する材料は、存在していない。したがって、タ
ングステンブロンズ型強誘電体やビスマス層状構造強誘
電体は、半導体装置との整合性が悪く、その不揮発性半
導体記憶装置を作製することが困難である。
うな従来の不揮発性半導体記憶装置にあっては、PZT
のようなペロブスカイト構造強誘電体以外のタングステ
ンブロンズ型強誘電体やビスマス層状構造強誘電体は、
現在周知の薄膜型性技術においては、成膜でのプロセス
温度として、800℃を必要とし、半導体装置として、
強誘電体キャパシタの下部電極とトランジスタのソース
またはドレイン部を電気的に導通させるためのプラグ電
極との構成において、何らかのバリヤメタルを配置する
必要があり、現在、上記プロセス温度で十分良好なバリ
ヤ性を有する材料は、存在していない。したがって、タ
ングステンブロンズ型強誘電体やビスマス層状構造強誘
電体は、半導体装置との整合性が悪く、その不揮発性半
導体記憶装置を作製することが困難である。
【0012】ところが、PZTのような鉛系ペロブスカ
イト強誘電体は、成膜でのプロセス温度が650℃と比
較的低温であり、現在半導体装置に使用されているTi
N等のバリヤメタルがそのまま採用でき、半導体プロセ
スとの整合性がよい。この観点から鉛系ペロブスカイト
強誘電体を改良することが、不揮発性半導体メモリの実
現に有効であるといえる。
イト強誘電体は、成膜でのプロセス温度が650℃と比
較的低温であり、現在半導体装置に使用されているTi
N等のバリヤメタルがそのまま採用でき、半導体プロセ
スとの整合性がよい。この観点から鉛系ペロブスカイト
強誘電体を改良することが、不揮発性半導体メモリの実
現に有効であるといえる。
【0013】そして、鉛系ペロブスカイト強誘電体のF
atigueは、以下の機構により生じると言える。す
なわち、PZTに関しては、成膜後の薄膜には、鉛の蒸
気圧が高いことに起因した各種の欠陥が存在し、しかも
この欠陥は、鉛空孔や酸素空孔などの点欠陥が一様に分
布して膜中に存在している。PZTの分極反転は、強電
界のストレス試験と同様なもので、このストレスにより
一様に分布していた各種の欠陥が膜界面に偏析し、空間
電荷を発生させる。また、成膜時の鉛欠損は、材料の電
荷中性条件を非平衡にしているため、電荷中性条件を満
たすような酸素欠陥を生じさせながら膜から酸素が抜け
ていく。そして、強誘電性のオリジンは、酸素8面体構
造とその中心イオンの双極子からなっており、分極反転
により、この酸素8面体を構成している酸素原子が一部
なり、強誘電性が劣化することになる。
atigueは、以下の機構により生じると言える。す
なわち、PZTに関しては、成膜後の薄膜には、鉛の蒸
気圧が高いことに起因した各種の欠陥が存在し、しかも
この欠陥は、鉛空孔や酸素空孔などの点欠陥が一様に分
布して膜中に存在している。PZTの分極反転は、強電
界のストレス試験と同様なもので、このストレスにより
一様に分布していた各種の欠陥が膜界面に偏析し、空間
電荷を発生させる。また、成膜時の鉛欠損は、材料の電
荷中性条件を非平衡にしているため、電荷中性条件を満
たすような酸素欠陥を生じさせながら膜から酸素が抜け
ていく。そして、強誘電性のオリジンは、酸素8面体構
造とその中心イオンの双極子からなっており、分極反転
により、この酸素8面体を構成している酸素原子が一部
なり、強誘電性が劣化することになる。
【0014】そこで、請求項1記載の発明は、強誘電体
キャパシタの強誘電体を、前記強誘電体は、ジルコン酸
鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb
[(ZrxTi1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<
x<0.8、0.05<y<0.4)で示される組成を
主成分とする材料により形成することにより、記憶内容
の読み出し・書き込みに伴う分極反転による強誘電性の
劣化(いわゆるFatigue)を抑制し、読み出し・
書込回数をより向上させることのできる不揮発性半導体
記憶装置を提供することを目的としている。
キャパシタの強誘電体を、前記強誘電体は、ジルコン酸
鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb
[(ZrxTi1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<
x<0.8、0.05<y<0.4)で示される組成を
主成分とする材料により形成することにより、記憶内容
の読み出し・書き込みに伴う分極反転による強誘電性の
劣化(いわゆるFatigue)を抑制し、読み出し・
書込回数をより向上させることのできる不揮発性半導体
記憶装置を提供することを目的としている。
【0015】請求項2記載の発明は、強誘電体の材料
に、さらに、ニオブあるいはランタンを添加することに
より、Fatigue耐性をさらに50%程度向上させ
て、特に、回路設計上問題となる強誘電特性のゆらぎを
改善することのできる不揮発性半導体記憶装置を提供す
ることを目的としている。
に、さらに、ニオブあるいはランタンを添加することに
より、Fatigue耐性をさらに50%程度向上させ
て、特に、回路設計上問題となる強誘電特性のゆらぎを
改善することのできる不揮発性半導体記憶装置を提供す
ることを目的としている。
【0016】請求項3記載の発明は、強誘電体キャパシ
タの下部電極層と上部電極層のうち少なくともいずれか
一方の電極層を、白金とロジウムとの合金、あるいは、
白金ロジウム合金とロジウム酸化物で形成することによ
り、Fatigue耐性を、1011回以上に大幅に向上
させることのできる不揮発性半導体記憶装置を提供する
ことを目的としている。
タの下部電極層と上部電極層のうち少なくともいずれか
一方の電極層を、白金とロジウムとの合金、あるいは、
白金ロジウム合金とロジウム酸化物で形成することによ
り、Fatigue耐性を、1011回以上に大幅に向上
させることのできる不揮発性半導体記憶装置を提供する
ことを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明の不
揮発性半導体記憶装置は、電荷転送用トランジスタと強
誘電体キャパシタによりメモリセルの構成される不揮発
性半導体記憶装置において、前記強誘電体キャパシタ
は、強誘電体を挟んで下部電極層と上部電極層を備え、
前記強誘電体は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛及びチタン酸
鉛の固溶体であって、Pb[(ZrxTi1-x)1-yS
ny]O3(ただし、0.2<x<0.8、0.05<y
<0.4)で示される組成を主成分とする材料により形
成されていることにより、上記目的を達成している。
揮発性半導体記憶装置は、電荷転送用トランジスタと強
誘電体キャパシタによりメモリセルの構成される不揮発
性半導体記憶装置において、前記強誘電体キャパシタ
は、強誘電体を挟んで下部電極層と上部電極層を備え、
前記強誘電体は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛及びチタン酸
鉛の固溶体であって、Pb[(ZrxTi1-x)1-yS
ny]O3(ただし、0.2<x<0.8、0.05<y
<0.4)で示される組成を主成分とする材料により形
成されていることにより、上記目的を達成している。
【0018】上記構成によれば、強誘電体キャパシタの
強誘電体を、前記強誘電体は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛
及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb[(ZrxTi
1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<x<0.8、
0.05<y<0.4)で示される組成を主成分とする
材料により形成しているので、記憶内容の読み出し・書
き込みに伴う分極反転による強誘電性の劣化(いわゆる
Fatigue)を抑制することができ、読み出し・書
込回数をより向上させることができる。
強誘電体を、前記強誘電体は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛
及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb[(ZrxTi
1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<x<0.8、
0.05<y<0.4)で示される組成を主成分とする
材料により形成しているので、記憶内容の読み出し・書
き込みに伴う分極反転による強誘電性の劣化(いわゆる
Fatigue)を抑制することができ、読み出し・書
込回数をより向上させることができる。
【0019】この場合、例えば、請求項2に記載するよ
うに、前記強誘電体は、前記強誘電体の材料に、さら
に、ニオブあるいはランタンが添加されていてもよい。
うに、前記強誘電体は、前記強誘電体の材料に、さら
に、ニオブあるいはランタンが添加されていてもよい。
【0020】上記構成によれば、強誘電体の材料に、さ
らに、ニオブあるいはランタンを添加しているので、F
atigue耐性をさらに50%程度向上させることが
でき、特に、回路設計上問題となる強誘電特性のゆらぎ
を改善することができる。
らに、ニオブあるいはランタンを添加しているので、F
atigue耐性をさらに50%程度向上させることが
でき、特に、回路設計上問題となる強誘電特性のゆらぎ
を改善することができる。
【0021】また、例えば、請求項3に記載するよう
に、前記強誘電体キャパシタの前記下部電極層と上部電
極層は、少なくともいずれか一方の電極層が、白金とロ
ジウムとの合金、あるいは、白金ロジウム合金とロジウ
ム酸化物で形成されていてもよい。
に、前記強誘電体キャパシタの前記下部電極層と上部電
極層は、少なくともいずれか一方の電極層が、白金とロ
ジウムとの合金、あるいは、白金ロジウム合金とロジウ
ム酸化物で形成されていてもよい。
【0022】上記構成によれば、強誘電体キャパシタの
下部電極層と上部電極層のうち少なくともいずれか一方
の電極層を、白金とロジウムとの合金、あるいは、白金
ロジウム合金とロジウム酸化物で形成しているので、F
atigue耐性を、1011回以上に大幅に向上させる
ことができる。
下部電極層と上部電極層のうち少なくともいずれか一方
の電極層を、白金とロジウムとの合金、あるいは、白金
ロジウム合金とロジウム酸化物で形成しているので、F
atigue耐性を、1011回以上に大幅に向上させる
ことができる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるか
ら、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本
発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定す
る旨の記載がない限り、これらの態様に限られるもので
はない。
を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述
べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるか
ら、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本
発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定す
る旨の記載がない限り、これらの態様に限られるもので
はない。
【0024】図1〜図5は、本発明の不揮発性半導体記
憶装置の一実施の形態を示す図であり、図1は、本発明
の不揮発性半導体記憶装置の一実施の形態の不揮発性半
導体記憶装置の部分正面断面図である。
憶装置の一実施の形態を示す図であり、図1は、本発明
の不揮発性半導体記憶装置の一実施の形態の不揮発性半
導体記憶装置の部分正面断面図である。
【0025】図1において、不揮発性半導体記憶装置1
0は、シリコン基板11の表面に素子分離用のフィール
ド酸化膜12が形成され、その後、素子領域のシリコン
基板11の表面上にゲート絶縁膜13を介してポリシリ
コンのワード線14が形成されている。
0は、シリコン基板11の表面に素子分離用のフィール
ド酸化膜12が形成され、その後、素子領域のシリコン
基板11の表面上にゲート絶縁膜13を介してポリシリ
コンのワード線14が形成されている。
【0026】次に、転送用トランジスタ15のソースま
たはドレインになる不純物拡散領域16a、16bが形
成され、その上に層間絶縁膜17が形成されている。こ
の層間絶縁膜17に前記電荷転送用トランジスタ15の
ソースまたはドレインになる一方の不純物拡散領域16
a、16b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18が堆積され、導電性のコンタ
クトがとられている。このポリシリコン18上にシリコ
ン拡散バリアメタル層19となる窒化チタン層と強誘電
体20の下部電極21となる白金層が順次形成され、そ
の後、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22の他方の電極である上
部電極23が形成される。この上部電極23は、白金膜
で形成されている。
たはドレインになる不純物拡散領域16a、16bが形
成され、その上に層間絶縁膜17が形成されている。こ
の層間絶縁膜17に前記電荷転送用トランジスタ15の
ソースまたはドレインになる一方の不純物拡散領域16
a、16b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18が堆積され、導電性のコンタ
クトがとられている。このポリシリコン18上にシリコ
ン拡散バリアメタル層19となる窒化チタン層と強誘電
体20の下部電極21となる白金層が順次形成され、そ
の後、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22の他方の電極である上
部電極23が形成される。この上部電極23は、白金膜
で形成されている。
【0027】上記強誘電体20は、ジルコン酸鉛、チタ
ン酸鉛の固溶体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)
に第三の成分として、スズ酸鉛を加えたペロブスカイト
強誘電体(以下、PZSTという。)を材料として使用
し、金属有機化合物の塗布・熱分解によりPZST薄膜
を成膜して、形成されている。強誘電体20は、その膜
厚が、240nmであり、650℃のプロセス温度で、
白金の下部電極21上に成膜されている。
ン酸鉛の固溶体であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)
に第三の成分として、スズ酸鉛を加えたペロブスカイト
強誘電体(以下、PZSTという。)を材料として使用
し、金属有機化合物の塗布・熱分解によりPZST薄膜
を成膜して、形成されている。強誘電体20は、その膜
厚が、240nmであり、650℃のプロセス温度で、
白金の下部電極21上に成膜されている。
【0028】なお、この強誘電体20を形成するにあた
り、各種組成のセラミックスを作製して、分極反転回数
に伴う強誘電性の劣化を測定し、PZTに第三の成分を
加えたことの効果を確認して、有効な強誘電体材料を探
索した。その結果、スズは、価数として、+2、+4を
取りうる元素であり、成膜工程での各種欠損を補償する
ように自己整合的に価数を変化させることから、上記P
ZSTを得た。
り、各種組成のセラミックスを作製して、分極反転回数
に伴う強誘電性の劣化を測定し、PZTに第三の成分を
加えたことの効果を確認して、有効な強誘電体材料を探
索した。その結果、スズは、価数として、+2、+4を
取りうる元素であり、成膜工程での各種欠損を補償する
ように自己整合的に価数を変化させることから、上記P
ZSTを得た。
【0029】すなわち、不揮発性半導体記憶装置10
は、電荷転送用トランジスタ15と強誘電体キャパシタ
22によりメモリセルが構成されており、強誘電体キャ
パシタ22の強誘電体20は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛
及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb[(ZrxTi
1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<x<0.8、
0.05<y<0.4)で示される組成を主成分とする
材料で形成されている。
は、電荷転送用トランジスタ15と強誘電体キャパシタ
22によりメモリセルが構成されており、強誘電体キャ
パシタ22の強誘電体20は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛
及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb[(ZrxTi
1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<x<0.8、
0.05<y<0.4)で示される組成を主成分とする
材料で形成されている。
【0030】そして、図2にセラミックス組成の相関図
を、図3に図2の相関図の各ポイントA〜Iの組成のセ
ラミックの強誘電性ヒステリシス曲線を、それぞれ示す
ように、セラミックス組成に応じて、その強誘電性ヒス
テリシス曲線が変化し、上記PZST薄膜は、スズを含
まないPZTと比較して、約2桁程のFatigue耐
性がある。なお、図3においては、A、D、Gは、Sn
濃度が5mol%、B、E、Hは、Sn濃度が20mo
l%、C、F、Iは、Sn濃度が5mol%の場合を示
しており、A、B、Cは、ZrとTiの比が、30/7
0の場合を、D、E、Fは、ZrとTiの比が、50/
50の場合を、G、H、Iは、ZrとTiの比が、70
/30の場合を、それぞれ示している。
を、図3に図2の相関図の各ポイントA〜Iの組成のセ
ラミックの強誘電性ヒステリシス曲線を、それぞれ示す
ように、セラミックス組成に応じて、その強誘電性ヒス
テリシス曲線が変化し、上記PZST薄膜は、スズを含
まないPZTと比較して、約2桁程のFatigue耐
性がある。なお、図3においては、A、D、Gは、Sn
濃度が5mol%、B、E、Hは、Sn濃度が20mo
l%、C、F、Iは、Sn濃度が5mol%の場合を示
しており、A、B、Cは、ZrとTiの比が、30/7
0の場合を、D、E、Fは、ZrとTiの比が、50/
50の場合を、G、H、Iは、ZrとTiの比が、70
/30の場合を、それぞれ示している。
【0031】このように、本実施の形態においては、強
誘電体キャパシタ22の強誘電体20を、ジルコン酸
鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb
[(ZrxTi1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<
x<0.8、0.05<y<0.4)で示される組成を
主成分とする材料で形成しているので、強誘電性の劣化
(Fatigue耐性)を、初期値に対して20%減少
するまでのサイクル数と定義すると、従来、108 であ
ったものが、強誘電体キャパシタ22の強誘電体20と
して、Pb(Zr0.67Sn0.05,Ti0.28)O3 を使用
した不揮発性半導体記憶装置10では、(Fatigu
e耐性)は、1010まで改善された。
誘電体キャパシタ22の強誘電体20を、ジルコン酸
鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体であって、Pb
[(ZrxTi1-x)1-ySny]O3(ただし、0.2<
x<0.8、0.05<y<0.4)で示される組成を
主成分とする材料で形成しているので、強誘電性の劣化
(Fatigue耐性)を、初期値に対して20%減少
するまでのサイクル数と定義すると、従来、108 であ
ったものが、強誘電体キャパシタ22の強誘電体20と
して、Pb(Zr0.67Sn0.05,Ti0.28)O3 を使用
した不揮発性半導体記憶装置10では、(Fatigu
e耐性)は、1010まで改善された。
【0032】また、不揮発性半導体記憶装置10の強誘
電体20を作製するにあたって、予め母体となるセラミ
ックスに、ドナー、アクセプターを導入させ、スズの自
己補償作用の方向性を決めて、すなわち、+2を取りや
すくするのか、+4を取りやすくするのかを、設計し、
その中から母体のセラミックスに合わせて、自己補償を
効率よく行わせるようにした。具体的には、PZST
に、5価の元素であるニオブを数%添加したり、3価の
元素であるランタンを数%添加することで制御した。
電体20を作製するにあたって、予め母体となるセラミ
ックスに、ドナー、アクセプターを導入させ、スズの自
己補償作用の方向性を決めて、すなわち、+2を取りや
すくするのか、+4を取りやすくするのかを、設計し、
その中から母体のセラミックスに合わせて、自己補償を
効率よく行わせるようにした。具体的には、PZST
に、5価の元素であるニオブを数%添加したり、3価の
元素であるランタンを数%添加することで制御した。
【0033】そこで、強誘電体20として、PZSTに
ニオブを2%添加したPb0.99Nb0.02(Zr56Sn20
Ti24)0.98O3 を作製し、上記同様の評価を行ったと
ころ、図4に示すように、強誘電体20として、上記P
b(Zr0.67Sn0.05,Ti0.28)O3 を使用した場合
には、サイクル数初期に100%を上回る値を示してい
たが、強誘電体20としてPZSTにニオブを2%添加
したPb0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O3
を使用したところ、そのような傾向を示さず、また、F
atigue耐性も50%ほど向上した。
ニオブを2%添加したPb0.99Nb0.02(Zr56Sn20
Ti24)0.98O3 を作製し、上記同様の評価を行ったと
ころ、図4に示すように、強誘電体20として、上記P
b(Zr0.67Sn0.05,Ti0.28)O3 を使用した場合
には、サイクル数初期に100%を上回る値を示してい
たが、強誘電体20としてPZSTにニオブを2%添加
したPb0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O3
を使用したところ、そのような傾向を示さず、また、F
atigue耐性も50%ほど向上した。
【0034】すなわち、強誘電体20として、上記Pb
(Zr0.67Sn0.05,Ti0.28)O3 を使用した場合に
は、分極反転の経過とともにインピーダンスが欠陥消滅
により増加し、観測される自発分極は減少するが、残留
分極は、変化がなく、結果として強誘電性は、100%
を超える値を示していた。
(Zr0.67Sn0.05,Ti0.28)O3 を使用した場合に
は、分極反転の経過とともにインピーダンスが欠陥消滅
により増加し、観測される自発分極は減少するが、残留
分極は、変化がなく、結果として強誘電性は、100%
を超える値を示していた。
【0035】このような増加は、分極情報を判断する回
路の設定値マージンを制約させるおそれがあるが、強誘
電体20としてPZSTにニオブを2%添加したPb
0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O3 (以下、
PNZSTという。)を使用した場合には、このような
状況が大幅に改善された。
路の設定値マージンを制約させるおそれがあるが、強誘
電体20としてPZSTにニオブを2%添加したPb
0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O3 (以下、
PNZSTという。)を使用した場合には、このような
状況が大幅に改善された。
【0036】また、強誘電体20として、PZSTにラ
ンタンを2%添加したPb0.98La0.02(Zr,Sn,
Ti)0.995O3を作製して、上記同様に評価したとこ
ろ、ニオブを添加した場合と同様の効果が確認された。
ンタンを2%添加したPb0.98La0.02(Zr,Sn,
Ti)0.995O3を作製して、上記同様に評価したとこ
ろ、ニオブを添加した場合と同様の効果が確認された。
【0037】さらに、予め成膜時に欠陥を導入させない
ことが本質的な課題解決でもある。すなわち、鉛抜けに
よる欠陥は、下地膜への鉛拡散としても生じているた
め、この下地膜への鉛拡散をブロックさせることも効果
的である。例えば、白金−ロジウム合金においては、ブ
ロッキング効果があり、また、分極反転中の酸素原子の
拡散についても同様な効果を示す。
ことが本質的な課題解決でもある。すなわち、鉛抜けに
よる欠陥は、下地膜への鉛拡散としても生じているた
め、この下地膜への鉛拡散をブロックさせることも効果
的である。例えば、白金−ロジウム合金においては、ブ
ロッキング効果があり、また、分極反転中の酸素原子の
拡散についても同様な効果を示す。
【0038】そこで、強誘電体キャパシタ22の下部電
極21を、rfマグネトロンスパッタ法で、Pt−20
%Rh合金ターゲットを用い、Pt−Rh合金薄膜によ
り作製し、酸素雰囲気中で、650℃の熱処理を施した
後、上記同様に、強誘電体キャパシタ22の強誘電体2
0を、Pb0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O
3 により作製した。
極21を、rfマグネトロンスパッタ法で、Pt−20
%Rh合金ターゲットを用い、Pt−Rh合金薄膜によ
り作製し、酸素雰囲気中で、650℃の熱処理を施した
後、上記同様に、強誘電体キャパシタ22の強誘電体2
0を、Pb0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O
3 により作製した。
【0039】この下部電極21をPt−Rh合金薄膜に
より作製し、強誘電体20を、Pb0.99Nb0.02(Zr
56Sn20Ti24)0.98O3 で作製した不揮発性半導体記
憶装置10について、上記同様の評価を行ったところ、
図5に示すような結果を得た。図5から分かるように、
下部電極21をPt−Rh合金薄膜により作製し、強誘
電体20を、Pb0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)
0.98O3 で作製した不揮発性半導体記憶装置10では、
Fatigue耐性は、1011まで向上された。
より作製し、強誘電体20を、Pb0.99Nb0.02(Zr
56Sn20Ti24)0.98O3 で作製した不揮発性半導体記
憶装置10について、上記同様の評価を行ったところ、
図5に示すような結果を得た。図5から分かるように、
下部電極21をPt−Rh合金薄膜により作製し、強誘
電体20を、Pb0.99Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)
0.98O3 で作製した不揮発性半導体記憶装置10では、
Fatigue耐性は、1011まで向上された。
【0040】以上、本発明者によってなされた発明を好
適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもな
い。
適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもな
い。
【0041】
【発明の効果】請求項1記載の発明の不揮発性半導体記
憶装置によれば、強誘電体キャパシタの強誘電体を、前
記強誘電体は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛
の固溶体であって、Pb[(ZrxTi1-x)1-ySny]
O3(ただし、0.2<x<0.8、0.05<y<
0.4)で示される組成を主成分とする材料により形成
しているので、記憶内容の読み出し・書き込みに伴う分
極反転による強誘電性の劣化(いわゆるFatigu
e)を抑制することができ、読み出し・書込回数をより
向上させることができる。
憶装置によれば、強誘電体キャパシタの強誘電体を、前
記強誘電体は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛
の固溶体であって、Pb[(ZrxTi1-x)1-ySny]
O3(ただし、0.2<x<0.8、0.05<y<
0.4)で示される組成を主成分とする材料により形成
しているので、記憶内容の読み出し・書き込みに伴う分
極反転による強誘電性の劣化(いわゆるFatigu
e)を抑制することができ、読み出し・書込回数をより
向上させることができる。
【0042】請求項2記載の発明の不揮発性半導体記憶
装置によれば、強誘電体の材料に、さらに、ニオブある
いはランタンを添加しているので、Fatigue耐性
をさらに50%程度向上させることができ、特に、回路
設計上問題となる強誘電特性のゆらぎを改善することが
できる。
装置によれば、強誘電体の材料に、さらに、ニオブある
いはランタンを添加しているので、Fatigue耐性
をさらに50%程度向上させることができ、特に、回路
設計上問題となる強誘電特性のゆらぎを改善することが
できる。
【0043】請求項3記載の発明の不揮発性半導体記憶
装置によれば、強誘電体キャパシタの下部電極層と上部
電極層のうち少なくともいずれか一方の電極層を、白金
とロジウムとの合金、あるいは、白金ロジウム合金とロ
ジウム酸化物で形成しているので、Fatigue耐性
を、1011回以上に大幅に向上させることができる。
装置によれば、強誘電体キャパシタの下部電極層と上部
電極層のうち少なくともいずれか一方の電極層を、白金
とロジウムとの合金、あるいは、白金ロジウム合金とロ
ジウム酸化物で形成しているので、Fatigue耐性
を、1011回以上に大幅に向上させることができる。
【図1】本発明の不揮発性半導体記憶装置の一実施の形
態を適用した不揮発性半導体記憶装置の部分正面断面
図。
態を適用した不揮発性半導体記憶装置の部分正面断面
図。
【図2】強誘電体に用いるセラミックス組成の相関図。
【図3】図2の各セラミックス組成の強誘電体の強誘電
性ヒステリシス曲線を示す図。
性ヒステリシス曲線を示す図。
【図4】強誘電体キャパシタの強誘電体としてPb0.99
Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O3 を使用した場
合の不揮発性半導体記憶装置の分極反転数と残留分極の
関係を示す図。
Nb0.02(Zr56Sn20Ti24)0.98O3 を使用した場
合の不揮発性半導体記憶装置の分極反転数と残留分極の
関係を示す図。
【図5】強誘電体キャパシタの下部電極をPt−Rh合
金薄膜で、強誘電体をPb0.99Nb0.02(Zr56Sn20
Ti24)0.98O3 で作製した不揮発性半導体記憶装置の
分極反転数と残留分極の関係を示す図。
金薄膜で、強誘電体をPb0.99Nb0.02(Zr56Sn20
Ti24)0.98O3 で作製した不揮発性半導体記憶装置の
分極反転数と残留分極の関係を示す図。
【図6】従来の不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの
等価回路を示す図。
等価回路を示す図。
【図7】図6の不揮発性半導体記憶装置の強誘電体キャ
パシタの正面断面図。
パシタの正面断面図。
【図8】従来の強誘電体キャパシタの強誘電体としてP
ZTを使用した場合の不揮発性半導体記憶装置の分極反
転数と残留分極の関係を示す図。
ZTを使用した場合の不揮発性半導体記憶装置の分極反
転数と残留分極の関係を示す図。
10 不揮発性半導体記憶装置 11 シリコン基板 12 フィールド酸化膜 13 ゲート絶縁膜 14 ワード線 15 転送用トランジスタ 16a、16b 不純物拡散領域 17 層間絶縁膜 18 ポリシリコン 19 シリコン拡散バリアメタル層 20 強誘電体 21 下部電極 22 強誘電体キャパシタ 23 上部電極
Claims (3)
- 【請求項1】電荷転送用トランジスタと強誘電体キャパ
シタによりメモリセルの構成される不揮発性半導体記憶
装置において、前記強誘電体キャパシタは、強誘電体を
挟んで下部電極層と上部電極層を備え、前記強誘電体
は、ジルコン酸鉛、スズ酸鉛及びチタン酸鉛の固溶体で
あって、Pb[(ZrxTi1-x)1-ySny]O3(ただ
し、0.2<x<0.8、0.05<y<0.4)で示
される組成を主成分とする材料により形成されているこ
とを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項2】前記強誘電体は、前記強誘電体の材料に、
さらに、ニオブあるいはランタンが添加されていること
を特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 【請求項3】前記強誘電体キャパシタの前記下部電極層
と上部電極層は、少なくともいずれか一方の電極層が、
白金とロジウムとの合金、あるいは、白金ロジウム合金
とロジウム酸化物で形成されていることを特徴とする請
求項1または請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9069085A JPH10256495A (ja) | 1997-03-06 | 1997-03-06 | 不揮発性半導体記憶装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9069085A JPH10256495A (ja) | 1997-03-06 | 1997-03-06 | 不揮発性半導体記憶装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10256495A true JPH10256495A (ja) | 1998-09-25 |
Family
ID=13392411
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9069085A Pending JPH10256495A (ja) | 1997-03-06 | 1997-03-06 | 不揮発性半導体記憶装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10256495A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004075424A (ja) * | 2002-08-12 | 2004-03-11 | Mitsubishi Materials Corp | 耐疲労特性に優れた強誘電体薄膜とその形成用組成物 |
| WO2006129775A1 (en) * | 2005-05-31 | 2006-12-07 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US7781358B2 (en) * | 2008-02-15 | 2010-08-24 | Trs Technologies, Inc. | Antiferroelectric multilayer ceramic capacitor |
-
1997
- 1997-03-06 JP JP9069085A patent/JPH10256495A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004075424A (ja) * | 2002-08-12 | 2004-03-11 | Mitsubishi Materials Corp | 耐疲労特性に優れた強誘電体薄膜とその形成用組成物 |
| WO2006129775A1 (en) * | 2005-05-31 | 2006-12-07 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US7838993B2 (en) | 2005-05-31 | 2010-11-23 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US8227851B2 (en) | 2005-05-31 | 2012-07-24 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device |
| US7781358B2 (en) * | 2008-02-15 | 2010-08-24 | Trs Technologies, Inc. | Antiferroelectric multilayer ceramic capacitor |
| US7884042B2 (en) | 2008-02-15 | 2011-02-08 | Trs Technologies, Inc. | Antiferroelectric multilayer ceramic capacitor |
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